CN103715867A

CN103715867A - 用于功率补偿器的老化补偿控制的装置及方法

Info

Publication number: CN103715867A
Application number: CN201310464810.8A
Authority: CN
Inventors: 安东尼·费雷·法布雷加斯; 大卫·加梅斯·阿拉里; 费德里科·焦尔达诺
Original assignee: Lear Corp
Current assignee: Lear Corp
Priority date: 2012-10-05
Filing date: 2013-10-08
Publication date: 2014-04-09
Anticipated expiration: 2033-10-08
Also published as: CN103715867B; DE102013220125A1

Abstract

本发明公开了用于功率补偿器的老化补偿控制的装置及方法。在至少一个实施例中，提供了用于提供对功率转换器的老化补偿控制的装置。该装置包括耦合到功率转换器的控制器，所述功率转换器包括用于将第一输入信号转换成第一输出信号的多个相。所述控制器被配置成激活多个相中的第一相的至少一个第一开关，用于将第一输入信号转换成第一输出信号。所述控制器还被配置成基于所述至少一个第一开关的等效时间Teq确定所述第一相的至少一个第一开关的老化状况，其中，Teq对应于所述至少一个第一开关处于活动状态且在所述至少一个第一开关处于活动状态时的所述至少一个第一开关的操作温度的时间量。

Description

用于功率补偿器的老化补偿控制的装置及方法

相关申请的交叉引用

本申请要求于2012年10月5日提交的美国临时申请第61/710,165号的利益，并要求于2013年9月25日提交的第14/036,207号申请的优先权，其公开内容通过引用全部并入本文。

技术领域

本文公开的实施例一般涉及用于控制功率转换器中的一个或多个开关的操作以补偿老化的装置和方法。

背景技术

提供多相开关转换器是已知的。这样的实现的一个例子公开在Ashburn等人的美国专利第6,362,608号（“'608专利”）中。

该'608专利公开了在转换器的输入端和输出端提供快速响应和低纹波的多相开关转换器和方法。该转换器包括通常顺序操作的进入公共负载的多个转换器级。然而，在感测到一个转换器级的操作不能将转换器带回调控时，多个转换器级将操作直到重新建立调控，在这之后转换器级再次顺序操作。在所公开的实施例中，在感测到一个转换器级的操作不能将转换器带回调控时，所有转换器级将操作，直到重新建立调控，在这之后从具有最低电感器电流的级开始，转换器级再次顺序操作。

发明内容

在至少一个实施例中，提供了用于提供对功率转换器的老化补偿控制的装置。该装置包括耦合到功率转换器的控制器，所述功率转换器包括用于将第一输入信号转换成第一输出信号的多个相。所述控制器被配置成激活多个相中的第一相的至少一个第一开关，用于将第一输入信号转换成第一输出信号。所述控制器还被配置成基于所述至少一个第一开关的等效时间Teq确定所述第一相的至少一个第一开关的老化状况，其中，Teq对应于所述至少一个第一开关处于活动状态且在所述至少一个第一开关处于活动状态时的所述至少一个第一开关的操作温度的时间量。

附图说明

本公开的实施例在所附的权利要求书中具体指出。然而，通过结合附图参考下面的详细描述，各种实施例的其他特征将变得更加明显并将得到充分的理解，在附图中：

图1示出根据实施例的用于控制功率转换器中的一个或多个开关的操作的系统;

图2示出了根据实施例的用于控制功率转换器中的一个或多个开关的操作的方法;

图3示出了根据一个实施例的用于设置工作相的数量的方法;

图4示出根据一个实施例的对应于系统的各方面的各种波形。

具体实施方式

根据需要，本文公开了本发明的具体实施例，但是，应理解的是，所公开的实施例仅仅是可以体现在各种替代形式的本发明的示例。图不一定按比例绘制，某些特征可能被夸大或缩小以显示特定组件的细节。因此，本文公开的具体的结构和功能细节不能被解释为限制，而仅仅作为教导本领域技术人员以各种方式使用本发明的代表性基础。

本公开的实施例一般针对多个电路或其它电气设备而提供。对电路和其它电气设备及由前者每个提供的功能的所有引用，不打算限于仅涵盖本文示出和描述的。虽然特定的标签可被赋予所公开的各种电路或其它电气设备，这些标签并不意在限制电路和其他电气设备的操作范围。这样的电路和其它电气设备也可以根据需要的电气实现的特定类型以任何方式彼此组合和/或分离。认识到，本文所公开的任何电路或其他电气设备可以包括任意数量的微处理器、集成电路、存储设备（例如，闪存、随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、电可编程只读存储器（EPROM）、电可擦除可编程只读存储器（EEPROM）、或其他合适的变体）和软件，其彼此共同合作以执行本文所公开的操作。

图1示出根据实施例的用于控制功率转换器14中的一个或多个开关12a-12n（“12”）（或相）的操作的系统（或装置）10。该系统10包括控制器16，其可操作地耦合到功率转换器14，用于激活/去激活一个或多个开关12。认识到，功率转换器14可以结合车辆使用以对一个或多个车辆电池充电（未示出）。在一个示例中，功率转换器14可以被实现为三相功率转换器（例如，降压电路）。在一个示例中，功率转换器14可以是利用并行结构的交错式功率转换器，其中许多准自治的转换器（诸如相）并联地实现以创建单个的大功率转换器。

开关12每个可以被实现为金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）或其它适合的器件。一般情况下，为了提高效率，不同数量的相（例如，i、j、k等）可被激活，这取决于流过功率转换器14的总电流（I_T）。换句话说，在不同的时间，功率转换器14可以具有，但不限于，一相、两相或三相在工作。因此，系统10可均等地使用所有相，以保持所有相或开关12具有相似的损耗。对于多相转换器，相通常被定义为被放置在输入端和负载之间的电路的一部分，这种电路的副本被彼此并联地放置在输入端和负载之间。因此，每个相可以在切换频率上的相等的间隔被激活。参考图1，每个相通常被定义为一般都与各自的电感器15耦合在一起的一个或多个开关。例如，相i一般包括电感器15a、开关12a和开关12b，相j一般包括电感器15b、开关12c和开关12d，及相k一般包括电感器15c、开关12e和开关12n。设想每个相可能包括比图1中所示的更多或更少的组件，且图1中所示的相为了说明的目的而提供。

可以设想，每个相的使用总时间（或每个相的老化）可基于每个相已经在特定的操作条件下操作的总时间确定。

例如，“等效操作时间”Teq可被定义为：

Teq=ΣΔt·Ea/[k_B·(TJ_MAX-TJ)] （式1）

其中，Teq针对每个相在一些间隔时间Δt（通常具有相同的持续时间）被计算，Teq通常被定义为开关12在给定的温度下操作的时间，且一般表示开关12的老化;

其中，Ea是一个常数，其被定义为激活能量，通常提供操作条件（温度等）对一个或多个开关12的寿命的影响的指示;

其中，k为玻耳兹曼常数;

其中，T_{J_MAX}是开关12可以承受的最高结温度，这样的信息可以由制造商的数据表提供;

其中，T_J是开关12的实际结温度，且计算为：

T_J=T_环境+R_TH*P_D （式2）

其中，T_环境是在功率转换器14的印刷电路板（PCB）附近的环境温度，它可通过位于每个开关12周围的温度传感器18获得，R_TH是开关12的组件热电阻（这可能依赖于开关或PCB的类型，其可以基于这些因素进一步确定，也可以通过实验来确定），P_D是使用测量的电压和电流计算的传导所消耗的功率。例如，分流器20可以位于一个或多个开关12的周围，以使一个或多个电流传感器22在这些开关12处于激活状态时测量一个或多个开关12中的电流。此外，一个或多个电压传感器24用于测量Vin（输入电压）和Vout（输出电压）。控制器16可基于这些测得的电流值和电压值确定P_D。作为第一近似，P_D可被进一步定义或估计为P_D=P_ON+P_SW。其中，P_ON一般被定义为当开关12接通时的导通损耗，并且P_SW通常被定义为当开关12切换时消耗的功率。除了设计/组件参数信息外，可以通过电压和电流的测量值获得P_ON和P_SW。

图2示出根据实施例的用于控制功率转换器14中的一个或多个开关12的操作的方法50。

在操作52中，控制器16确定所有的电压（在转换器14的输入端和输出端的（例如，Vin和Vo）），（每相）电流和温度（例如，开关12附近的环境温度）被测量。

在操作54中，控制器16确定要被激活的相的数量。在一般情况下，可以提供任意数量的算法，用于确定要被激活的相数。

一种算法包括电流共享方案。该方案包括在激活时，关于总输出电流（I_T）的每个1/N部分的（N相）中的一相。控制器16确定相数的这种方式的例子被示在图3中，这将在下面更详细地进行说明。

例如，具有3相的功率转换器14（例如，DC/DC转换器）可具有输出电流（例如，I_T），其被限于例如36A（I_max）的最大值。每个相一般提供或贡献最大电流值I_T的一部分。

在操作54a中，控制器16确定输出电流I_T是否小于第一预定电流（I₁=I_max/3）（例如，12A）。如果该条件为真，那么方法50将激活的相数设置为1，并进行到操作56a。如果该条件不成立，那么方法50进行到操作54b。

在操作54b中，控制器16确定输出电流I_T是否大于第一预定电流（I₁，其中I₁=I_max/3）（例如，12A）且小于第二预定电流（I₂，其中I₂=I_max*2/3）（例如，24A）。如果该条件为真，那么方法50将激活的相数设置为2并进行到操作56b。如果该条件不成立，那么方法50进行到操作54c。

在操作54c中，控制器16确定输出电流I_T是否大于第二预定电流（I₂）（例如，24A）。如果该条件为真，那么方法50将激活的相数设置为3并进行到操作56c。如果该条件不成立，那么方法50进行到操作54a。

执行操作54a、54b和54c使系统10能够确定在任何循环中激活的相的数量。

图4示出根据每个相的老化状况指示被激活的相的波形90和92。

参考图2，在操作56a中，控制器16仅激活一相。

在操作56b中，控制器16激活两个相。

在操作56c中，控制器16激活三个相。

在操作58中，控制器16确定相（例如，i、j和/或k）的老化（即，针对操作56a、56b以及56c）。为了执行此操作，每个相的“等效工作时间”（T_eq）被周期性地计算并累加在一个变量中。哪些相在老化的确定结合操作60a–60c、62a–62c和64更详细地阐述。结合图2所示的每个相的变量可以被定义为Teq^#i、Teq^#j和Teq^#k。如果相工作在高功率和/或高温下，这个变量（即，Teq）将增加得更快，而如果相工作在低功率和/或低温下，这个变量（即，Teq）将缓慢增加。

在操作60a中，控制器16确定相i的Teq（或Teq^#i）是否超过第一固定值。如果该条件为真，那么方法50移动到操作62a。如果为假，则该方法50移动到操作60b。

在操作60b中，控制器16确定相j的Teq（或Teq^#j）是否超过第二固定值。如果该条件为真，那么方法50移动到操作62b。如果为假，则该方法50移动到操作60c。

在操作60c中，控制器16确定相k的Teq（或Teq^#k）是否超过第三固定值。如果该条件为真，那么方法50移动到操作62b。如果为假，则该方法50移动到操作60c。

62a、62b和62c的操作分别对应于累加的Teq^#i、Teq^#j和/或Teq^#k变量的值高于第一固定值、第二固定值和/或第三固定值时。认识到，第一固定值、第二固定值和第三固定值可以彼此类似或彼此不同。对于62a、62b和62c的操作，超过固定值的相应的相被停止（例如，见Teq^#i=0、Teq^#j=0、Teq^#k=0）或直到其他相达到这个值或需要所有的相。作为示例，图4所示的波形94、96、98和100示出针对描述的输出电流并使用T=2（或固定值=2）时，这些变量随着时间的演变。

除了62a、62b和62c的操作分别指示每次累加的Teq^#i、Teq^#j和/或Teq^#k变量的值达到第一固定值、第二固定值和/或第三固定值（或T）外，这样的操作也指示，名为T_老化（例如，T_老化 ^#i、T_老化 ^#j或T_老化 ^#k）的计数器增加了存储在累加的Teq^#i、Teq^#j和/或Teq^#k变量中的值。因此，计数器T_老化可存储关于每个相的老化的“归一化”信息。波形102、104和106示出存储在相应的计数器T_老化 ^#i、T_老化 ^#j或T_老化 ^#k中的值的示例。

在操作64中，控制器16确定任何一个或多个相应的计数器T_老化 ^#i、T_老化 ^#j或T_老化 ^#k的值是否超过预定义的最大阈值T_MAX。如果该条件为真，那么方法50移动到操作66。如果不是，则方法50移回操作52。

在操作66中，控制器16报告或发送指示功率转换器14中的一个或多个相已达到最严重老化状态（或最大老化状况）的数据，及表现最大老化状况的相中的对应的开关将停止运行。

认识到，如果一个相中的特定开关12的结温度达到最高工作结温度，“等效运行时间”（Teq）趋于∞，从而指示开关12将被损坏（或无法使用）（见操作64和66）。关于提出的方法50，可以确保，所有相将具有类似的T_老化。正如结合操作66指出的，如果其中一个相达到预定义的阈值T_MAX，系统10可报告功率转换器14（或相）已达到最严重“老化”状态，其对应的开关12将被停止。最严重老化状态通常表示一个相已经在紧张的温度和/或电流条件下运行了大量的时间。

虽然上文描述了示例性实施例，但并不意在这些实施例描述了本发明的所有可能的形式。相反，在本说明书中使用的词语是描述性的而不是限制性的词语，可以理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以做出各种改变。此外，各种实现的实施例的特征可被组合以形成本发明的另外的实施例。

Claims

1.一种用于提供对功率转换器的老化补偿控制的装置，所述装置包括：

控制器，其可操作地耦合到包括用于将第一输入信号转换成第一输出信号的多个相的功率转换器，所述控制器被配置成：

激活所述多个相中的第一相的至少一个第一开关，用于将所述第一输入信号转换成所述第一输出信号;及

基于所述至少一个第一开关的等效时间Teq确定所述第一相的所述至少一个第一开关的老化状况，其中，Teq对应于所述至少一个第一开关处于活动状态且处于在所述至少一个第一开关处于活动状态时的所述至少一个第一开关的操作温度的时间量。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述控制器还被配置成响应于所述至少一个第一开关表现出最大老化状况，去激活所述第一相。

3.根据权利要求2所述的装置，其中，所述控制器还被配置成在确定所述至少一个第一开关表现出所述最大老化状况之前，比较Teq与第一固定值。

4.根据权利要求3所述的装置，其中，所述控制器还被配置成如果Teq超过所述第一固定值，将对应于Teq的值存储在计数器中。

5.根据权利要求4所述的装置，其中，所述控制器还被配置成将所述计数器中的值与第一预定义的最大阈值进行比较。

6.根据权利要求5所述的装置，其中，所述控制器还被配置成响应于所述计数器中的值超过所述第一预定义的最大阈值，确定所述至少一个第一开关表现出所述最大老化状况。

7.根据权利要求1所述的装置，其中，所述控制器还被配置成基于所述功率转换器的所需的输出电流来激活所述第一相的所述至少一个第一开关和所述多个相中的第二相的至少一个第二开关，以均衡所述第一相和所述第二相被使用的方式。

8.一种用于提供对功率转换器的老化补偿控制的装置，所述装置包括：

控制器，其可操作地耦合到包括用于将第一电压信号转换成第二电压信号的多个相的功率转换器，所述控制器被配置成：

激活所述多个相中的第一相的至少一个第一开关，用于将所述第一电压信号转换成所述第二电压信号;及

9.根据权利要求8所述的装置，其中，所述控制器还被配置成响应于所述至少一个第一开关表现出最大老化状况，去激活所述第一相。

10.根据权利要求9所述的装置，其中，所述控制器还被配置成在确定所述至少一个第一开关表现出所述最大老化状况之前，比较Teq与第一固定值。

11.根据权利要求10所述的装置，其中，所述控制器还被配置成如果Teq超过所述第一固定值，将对应于Teq的值存储在计数器中。

12.根据权利要求11所述的装置，其中，所述控制器还被配置成将所述计数器中的值与第一预定义的最大阈值进行比较。

13.根据权利要求12所述的装置，其中，所述控制器还被配置成响应于所述计数器中的值超过所述第一预定义的最大阈值，确定所述至少一个第一开关表现出所述最大老化状况。

14.根据权利要求8所述的装置，其中，所述控制器还被配置成基于所述功率转换器的所需的输出电流来激活所述第一相的所述至少一个第一开关和所述多个相中的第二相的至少一个第二开关，以均衡所述第一相和所述第二相被使用的方式。

15.一种用于提供对功率转换器的老化补偿控制的方法，所述方法包括：

使用包括多个相的功率转换器将第一电压信号转换成第二电压信号;

16.根据权利要求15所述的方法，还包括：响应于所述至少一个第一开关表现出最大老化状况，去激活所述第一相。

17.根据权利要求16所述的方法，还包括：在确定所述至少一个第一开关表现出所述最大老化状况之前，比较Teq与第一固定值。

18.根据权利要求17所述的方法，还包括：如果Teq超过所述第一固定值，将对应于Teq的值存储在计数器中。

19.根据权利要求18所述的方法，还被配置成将所述计数器中的值与第一预定义的最大阈值进行比较。

20.根据权利要求19所述的方法，还包括：响应于所述计数器中的值超过所述第一预定义的最大阈值，确定所述至少一个第一开关表现出所述最大老化状况。