CN107430164A - 电组件和用于监测电组件的部件的测量电路及测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于监测电组件的部件的测量方法，其中测量电组件的至少一个部件两端的电压和通过该部件的电流，且其中从所述电压和电流的测量值来确定该部件的电阻值。该测量方法的特征在于，在电组件的周期性切换信号的连续开关周期中测量电压和电流，并且基于来自连续开关周期的电压和电流的测量值来确定电阻值。本发明还涉及一种用于监测电组件的部件的测量电路(10)，该测量电路(10)中设置有模拟/数字转换器(14)。本发明还涉及一种具有这种测量电路(10)的电组件，特别是开关电源(1)。

Description

电组件和用于监测电组件的部件的测量电路及测量方法
技术领域
本发明涉及用于监测电组件的部件的一种测量电路和一种测量方法，以及一种具有这种测量电路以执行该测量方法的电组件，特别是开关电源。
背景技术
在开关电源中，电容器用于初级侧和次级侧，以使电压、特别是整流的交流(AC)电压平滑和稳定。通常，为了这个目的使用电解电容器，因为它们具有高容量和低部件重量，并且因为它们相对成本较低。电容器、特别是这种电解电容器的容量随着工作时间的增加而减少。这种情况通常伴随着其内阻(也称为等效串联电阻(ESR))的增加。
这些用于平滑且稳定电压的电容器通常是导致开关电源故障的原因；它们显著地损害并限制了开关电源的寿命。电容器的老化过程一般不是线性的。通常，容量的初始较低的相对降低或等效串联电阻的较低的相对增加随时间增加。一旦容量下降到低到某一阈值或等效串联电阻上升到超过某一阈值，则开关电源不再能工作或只能在低负载下工作。在开关电源实际发生故障之前检测到该开关电源即将发生故障需要能够以足够的精度来确定容量的减小或等效串联电阻的增加，从而可以检测到与基线的甚至小偏差。
除了电容器之外，开关电源的半导体开关(特别是在开关转换器的初级侧上使用的定时半导体开关)代表了开关电源故障的常见原因。通常，场效应晶体管(特别是金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET))用作定时半导体开关。
由于由恒定高温引起的载流子扩散过程和/或边界条件变化，场效应晶体管在导通状态下的有效电阻随时间而变化。这种在导电状态下的有效电阻的增加导致晶体管中更高的功率损耗，这导致进一步的温度升高，这又进一步加速了老化过程。由于这个原因，类似于电容器中的老化过程，场效晶体管的老化过程也不是线性的，而是自加速的。相应地，同样期望早期检测到场效应晶体管在其导通状态下的有效电阻的变化，以便能够在故障实际发生之前及时预测即将到来的故障。
确定半导体开关的有效电阻或电容器的等效串联电阻、以及确定电容器的容量都是基于电流和电压的测量。在容量的确定中，流经电容器的电流通过电容器的容量与电容器两端的电压变化相关。在分别确定电容器的等效串联电阻或半导体开关的有效电阻时，电阻是所施加电压和流经电流的商。
因此，先前描述的对等效串联电阻、有效电阻或容量的确定需要对要监测的每个部件的电压和电流进行测量。开关电源在数十千赫兹(kHz)至高达100kHz的范围内的时钟频率下工作。该时钟频率的变化导致要监测的部件中的电压和电流的变化。因为这些测量值随着开关电源的时钟频率而周期性地变化，所以根据现有技术的方法是同时测量将要在计算中使用的电压值和电流值。这需要每个部件都具有一个测量装置，例如一个模拟/数字(A/D)转换器用于电压，另一个A/D)转换器用于电流值。关于其速度具有合适规格的A/D转换器是成本高昂的部件。例如，监测开关电源中的初级侧电容器、初级侧半导体开关和两个次级侧电容器将需要每个相应的部件具有两个这样的A/D转换器，总共需要8个这样的转换器。
本发明的一个目的是指定用于监测电组件的部件的测量电路和测量方法，其中可以使用具有最低可能部件计数的电压和电流测量来执行对老化状态的监测，这意味着低成本。另一个目的是描述一种包含这种测量电路的电组件。
发明内容
该目的通过具有独立权利要求的各个特征的测量电路和测量方法以及电组件来实现。有益的实施例和改进例在从属权利要求中列出。
根据本发明的上述类型的测量电路包括模拟/数字转换器，该模拟/数字转换器通过多路复用器连接到电组件，以便测量至少一个部件两端的电压或测量通过该部件的电流。该多路复用器使得单个模拟/数字转换器(测量电路中成本最高的部件之一)来确定所需的两个测量值：电压和电流。当测量电路用于包括数十千赫兹(kHz)直至高达100kHz的时钟频率的开关电源时，这是特别有利的，因为在这样的情况下，模拟/数字转换器必须针对短测量周期设计，这需要昂贵的技术。
在一个有利的实施例中，测量电路包括位于多路复用器的输入侧处的限压电路，该限压电路将输入电压限制到最大值。该实施例尤其对于开关电源中初级半导体开关的有效电阻的测量是有利的。根据线电压的电平，当半导体开关处于其闭合状态时，在半导体开关两端可能存在高达几百伏的电压。然而，当半导体开关处于导通状态时，半导体开关两端的电压降只有几毫伏，最高约100毫伏。限压电路防止测量电路的下游部件被过电压破坏或饱和。
在另一个有利的实施例中，测量电路包括同步装置，该同步装置与电组件的周期性切换信号同步地测量电压和/或电流。测量电路的优选实施例是被配备为在周期性开关信号的连续开关周期中测量电压和电流并且基于该电压和电流的测量来确定电阻值的实施例，在这些连续的开关周期内的相当的时刻处测量这些电压和电流。电压值和电流值在开关周期期间通常不是恒定的。同步确保在相应的开关周期内在相同的时刻收集在连续的开关周期中提取的电压和电流的测量。这样，测量在相同的条件下进行，并且可以放在一起以计算电阻值。
根据本发明的一个电组件包括这样的测量电路，用于在电组件的操作期间测量电组件的部件的电阻值。这样就产生了如前所述的与测量电路相关的优点。
在电组件的一个有利实施例中，该组件被设计为具有开关转换器的开关电源，其中设置测量电路以测量开关转换器的开关晶体管的电阻。优选地，测量电路被设计成另外测量初级滤波器级中的电容器的等效串联电阻。
一种用于监测电组件的部件的本发明的测量方法，其中测量电组件的至少一个部件两端的电压和通过该部件的电流，并且其中基于所测量的电压值和电流值来确定该部件的电阻值，所述方法的特征在于，在电组件的周期性切换信号的连续开关周期中测量电压和电流，并且基于来自连续的开关周期的电压和电流的测量来确定电阻值。这再次产生了与如前所述的测量电路相关的优点。
在测量方法的一个有利实施例中，电压和电流的测量时间与电组件的周期性切换信号同步，其中基于所测量的电压值和电流值来确定电阻值，在连续的开关周期内的相当的时刻处测量电压值和电流值。这样，测量在相同的条件下进行，并且可以放在一起以计算电阻值。这是基于以下的发现：虽然测量值在单个开关周期内可能变化很大，但是这些变化不会从一个开关周期变化到下一个开关周期，或者与开关周期的持续时间(例如，在切换电源上的负载变化期间)相比仅非常缓慢地变化。
在测量电路的另一个有利实施例中，电组件是开关电源，并且该部件是该开关电源的开关转换器的开关晶体管。
附图说明
下面将借助示意图使用示例性实施例更详细地解释本发明。示意图显示如下：
图1根据本申请的设置用于与测量电路一起使用的开关电源的示意图。
图2根据本申请的测量电路的框图。
图3是图2所示的测量电路的限压电路的详细电路图。
图4是根据本申请的测量方法的流程图。
具体实施方式
图1示出了作为电组件的示例的开关电源1的框图，该电组件被设置成与根据本申请的测量电路一起使用。
图1所示的开关电源包括在输入侧上的功率因数校正滤波器2(PFC)，该功率因数校正滤波器将被连接到线电压UAC，并且例如可以被实现为无源滤波器。根据开关电源1的功率输出，还可以使用有源功率因数校正滤波器。功率因数校正滤波器2的输出端连接到初级侧整流器3，该初级侧整流器3例如可以被实现为桥式整流器。
与初级侧整流器3的输出并联连接的是初级侧滤波器级4，在本实施方式中，该初级侧滤波器级4包括初级侧电容器40。与电容器40串联连接的是分流器41，该分流器41用于测量流经初级电容器40的电流。测量点42-44附接到初级侧电容器40和分流器41；这些点连接到根据本申请的测量电路。电容器40上存在的电压(以下称为电容器电压U40)可以在测量点43和44处测量。分流器41两端的电压降可以在测量点42和43处测量，使得流经初级侧电容器40的电流(在下文中称为电容器电流I40)可以基于该电压降和分流器41的已知电阻值来确定。
与初级滤波器级4并联连接的是开关转换器5。该转换器包括开关晶体管50，该开关晶体管50切换通过变压器55的初级线圈的电流，并由在这里没有描绘的开关电源1的控制装置计时。为了确定流经开关晶体管50的电流，该晶体管与分流器51串联连接。类似于测量点42-44，开关晶体管50和分流器51的串联电路配备有测量点52-54。它们能够以与所解释的相对于初级滤波器级4相当的方式来测量开关晶体管50的开关路径两端的电压以及流经开关晶体管50的电流。在下文中，在开关晶体管处的电压和电流分别称为晶体管电压U50和晶体管电流I50。
变压器55是电隔离变压器；开关电源1的初级侧和次级侧彼此电隔离。变压器55的次级侧输出端经由次级整流器6(例如，桥式整流器或仅由一个二极管组成的简单整流器)与次级滤波器级7连接。在所示的示例中，次级滤波器级7包括两个电容器70和75，这两个电容器70和75分别与分流器71和76串联连接，以便测量通过它们的电流。这里再次，与初级滤波器级4相当，测量点72-74和77-79位于这里，这使得能够分别测量次级电容器70和75处的电压以及流经这两个电容器的电流。最后，滤波器8连接在次级滤波器级7的下游，在滤波器8的输出端处存在由开关电源1提供的直流电压UDC。
图2示出了初级侧测量电路10的框图。测量电路包括两个信号处理路径11和12，这两个信号处理路径11和12的输入端分别连接到初级滤波器级4的测量点42-44以及开关转换器5的测量点52-54。可以通过测量点42-44测量第一信号处理路径11的电容器电压U40和电容器电流I40；相应地，可以通过测量点52-54测量第二信号处理路径12的电容器电压U50和电容器电流I50。
模拟滤波器111位于第一信号处理路径11内，以测量电压和电流；该滤波器是调谐到开关电源1的开关频率的带通滤波器，使得其允许根据开关频率变化的测量信号通过。在有利的实施例中，滤波器111包括三阶巴特沃斯(Butterworth)特性3。它被设计为宽带滤波器，使得不管开关电源1的部件容差和潜在变化的开关频率如何，它都使信号通过。放大器112连接到滤波器111以用于信号放大，并且如果需要，用于零点校正。
模拟滤波器121位于第二信号处理路径12内以测量电流。滤波器121与第一信号处理路径11中的滤波器111相当。为了测量电压，提供了限压电路123而不是滤波器，这将在图3的上下文中更详细地解释。反过来，放大器122连接到滤波器121和限压电路123两者。此外，可以选择在信号处理路径中提供同步开关124，其通过开关晶体管50计时并且只允许测量信号在开关晶体管50的接通阶段中通过。
在图3中更详细地描绘了限压电路123的一个示例性实施例，该限压电路123具有连接到其输出端的放大器122。根据线电压UAC的电平，当闭合开关晶体管50时，在开关晶体管50两端可能存在高达几百伏。但是当断开开关晶体管50时，晶体管两端的电压降只有几毫伏，至多约100毫伏。限压电路123防止测量电路的下游部件被过电压破坏或饱和。
限压电路123的输入端例如由从测量点53和54待测量的输入电压Vein馈送，也可以由在测量点52和54处测量的电压馈送，在这种情况下，分流器51两端的电压降(作为测量的因素)后来被减去。后一种选择是有利的，因为测量点52因此是用于电压测量和电流测量的公共测量点。
输入电压Vein首先经由一定因子(例如因子5)在使用(高电阻)电阻器R1至R5的分压器中被分压。分压器的输出端经由二极管D1连接到在地电位GND以上几伏的低的正电位VC，因此被限制(固定)到该电位(加上二极管D1的正向偏置电压)。选择分压器和电位VC，使得当开关晶体管50闭合时对高电压的限制有效，并且当开关晶体管50断开时，电压不受影响。
分压器的输出端连接到放大器122，该放大器122在此处由具有反馈电阻器R6和R7的运算放大器OP1形成。选择放大器122的放大系数，使得放大器至少部分地平衡电压分配，同时即使在固定电压下，也防止在其输入端处的饱和。这在放大器122的输出端处产生输出电压Vaus，当开关晶体管50闭合时，输出电压Vaus被保持在几伏的恒定值，并且当开关晶体管50断开时，输出电压Vaus无显著延迟地下降到与开关晶体管50两端的电压成比例的值。
在信号处理路径11和12中对测量值进行信号处理之后，经处理的测量值被馈送到多路复用器13中。在所描绘的示例性实施例中，多路复用器13包括三个级联开关：第一开关131、第二开关132和第三开关133。第一开关131和第二开关132的位置确定电压和电流的测量值是否分别从信号处理路径11或12转发。第三开关133选择电压或电流的测量值是否从第一信号处理路径11或第二信号处理路径12转发。开关131、132和133由微控制器15经由控制线151控制。多路复用器13的输出端连接到模拟/数字(A/D)转换器14的输入端。该转换器的数字输出又由微控制器15读取。
微控制器15还经由信号输入端152连接到温度传感器16，该温度传感器16允许微控制器15读取初级电容器40的温度T40和开关晶体管50的温度T50。为此目的，相应的温度传感器与相应的部件热接触。
A/D转换器14优选是具有几兆赫兹(MHz)的高采样率的转换器。在这种情况下的采样率比所监控的开关转换器的典型开关频率高出很多倍，所述典型开关频率位于数十KHz的范围内，高达100kHz。各种输入信号经由多路复用器13施加到A/D转换器14。根据开关131-133的选定位置，微控制器15将从A/D转换器14接收的数据分配给初级电容器40或开关晶体管50的各种电压和电流测量值。
在测量过程期间，多路复用器13的开关131-133被控制成使得，首先，电压U40的一系列数据点，然后电流I40的一系列数据点在初级电容器40处/通过初级电容器40被收集，之后电压U50和电流I50的一系列数据点分别在开关晶体管50处/通过开关晶体管50被收集。根据本申请的测量过程被设计成使其与开关转换器5的开关晶体管50的开关时钟速率同步。
该程序顺序在图4的流程图中示出。在于第一步骤S0期间的初始化微控制器15之后，在下一步骤S1中将第一开关131设置为值1且将第三开关133设置为值1，使得第一信号处理路径11的电压测量路径连接到A/D转换器14。
接下来，在步骤S2中收集用于测量初级滤波电容器40处的电容器电压U40的多个数据点，优选地与开关晶体管50的开关时钟速率同步。这可以以这样的方式设计：这些测量遍布开关转换器5的指定数量的开关周期。在本上下文中的同步可以经由微控制器15的中断信号使用开关晶体管50的控制信号来执行。或者，指定数量的数据点可以使用微控制器15中的相应算法来收集，基于测量序列的记录信号形状将所述指定数量的数据点限制到一个或多个周期。这是可能的，因为测量信号随着开关转换器5的开关周期而周期性地变化。
在下一步骤S3中，第一开关131被设置为值0，而第三开关133保持值1，使得第一信号处理路径11的电压测量路径连接到A/D转换器14。之后，再次收集用于测量通过初级电容器40的电流I40的多个数据点，优选地与开关晶体管50的开关时钟速率同步。这可再次设计成使得这些测量遍布开关转换器4的指定数量的开关周期。
第一次近似后在电容器处的电流和电压按正弦曲线变化。为了确定初级电容器40的等效串联电阻ESR40，随后使用测量(参见步骤S9)来计算在初级电容器40处的电压U40的有效变化值和电流I40的有效值。除了电压信号在滤波器111中进行的模拟滤波之外，在微控制器15中执行信号的附加数字滤波。对于该数字信号滤波，遍布于一个或多个周期上的记录信号序列被相继附加数次并且被馈送到数字滤波器中。以这种方式，信号被人为地扩展，使得数字滤波器可以适应振荡。然后，基于被滤波的信号确定在电容器40处的电压和电流的有效变化值。数字滤波器可以被设计为自适应滤波器，其参数根据指定的算法被调整到测量信号。这使得例如即使当开关转换器5的开关频率变化时也能执行窄带滤波。
在接下来的步骤S5中，第三开关133被设置为值0，使得现在从第二信号处理路径12收集测量值。第二开关132被设置为值1，使得第二信号处理路径12的电压测量路径连接到A/D转换器14，以测量开关晶体管50的开关路径两端的电压U50。
在接下来的步骤S6中，优选地，在开关晶体管的接通时段期间收集测量数据，再次与开关晶体管50的开关时间同步。这里再次可以使用到控制器15中断信号或基于数据形状来执行同步。后一种选项在这里很容易实现，因为开关晶体管50两端的电压在其截止阶段与其接通阶段之间变化很大。根据图3的限压电路123，只有在接通阶段收集的数据点低于指定的最大测量值，因此可以容易地识别。
在步骤S6中的电压测量之后，在步骤S7期间将第二开关132设置为值0，而第三开关133保持在值0，以随后在步骤S8中记录用于通过开关晶体管50的电流I50的测量数据点系列。这又与开关晶体管50的开关时钟速率同步地执行，并且优选地在紧接着电压测量之后的开关晶体管50的下一个开关周期的接通阶段中执行。
在完成测量之后，接着是步骤S9中的分析，其中基于电容器电压U40和电容器电流I40的有效变化值来计算电容器40的等效串联电阻ESR40的值。此外，基于电压U50和电流I50的值对来计算开关晶体管50的接通电阻Ron50的值，电压U50和电流I50两者均在(相继)接通阶段的相同时刻测量。
在下一步骤S10中，测量电容器40和开关晶体管50的温度T40和T50。由于这些值不需要在特定时间被收集并且不需要与时钟速率同步，所以可以为此目的而使用微控制器15内的内部A/D转换器。在随后的步骤S11期间使用所测量的温度值，以便将所测量的电阻值(ESR40、Ron50)校正为在指定温度下的参考值。上述两个电阻值根据温度变化很大。关于可能表明老化过程的任何可能的值波动的陈述，只能在针对温度影响对值进行校正时才能做出。这可以基于存储在微控制器15中的表或(参数化的)温度曲线来完成。
最后，在步骤S11中ESR40和Ron50的计算值和校正值经由数据输出端153输出到例如开关电源1的较高电平的控制单元，其中将这些值与原始值进行比较，以及如果该比较导致可能即将发生故障的结论，则控制单元可以发出警报。当然也可以由微控制器15本身执行比较和警报。
如图2所示的可比较的测量电路还可以位于图1的开关电源的次级侧上。在次级侧测量电路中，设置两个第一信号处理路径11以分别在次级侧电容器70或75两端/通过次级侧电容器70或75收集电压U70和U75以及电流I70和I75。以与图4所述的方式相当的方式，次级测量电路分别确定次级侧(滤波器)电容器70和75两者的等效串联电阻ESR70或ESR75的值。关于这点，初级侧和次级侧测量电路的微控制器可以经由数据通道彼此连接，以便在微控制器中收集和分析结果(如果适用的话)。
参考符号
1 开关电源
2 功率因数校正滤波器
3 初级整流器
4 初级滤波器级
40 电容器
41 分流器
42-44 测量点
5 开关转换器
50 开关晶体管
51 分流器
52-54 测量点
55 变压器
6 次级整流器
7 次级滤波器级
70 第一次级电容器
71 第一分流器
72-74 测量点
75 第二次级电容器
76 第二分流器
77-79 测量点
8 滤波器
10 测量电路
11 第一信号处理路径(电容器)
111 滤波器
112 放大器
12 第二信号处理路径(开关晶体管)
121 滤波器
122 放大器
123 限压电路
124 同步开关
13 多路复用器
131 第一开关
132 第二开关
133 第三开关
14 模拟/数字(A/D)转换器
15 微控制器
151 控制线
152 信号输入端
153 数据输出端
16 温度传感器
R1-R7 电阻
D1 二极管
OP1 运算放大器
UAC 线电压
UDC 直流(DC)电压
Uein 输入电压
Uaus 输出电压
VC 正电位
GND 地电位。

Claims (10)

1.一种用于监测电组件的部件的测量方法，其中，测量所述电组件的至少一个部件两端的电压和通过所述部件的电流，并且其中基于所测量的电压值和电流值来确定所述部件的电阻值，其特征在于，在所述电组件的周期性切换信号的连续开关周期中测量所述电压和所述电流，并且基于来自所述连续开关周期的所述电压和所述电流的测量值来确定所述电阻值。
2.根据权利要求1所述的测量方法，其中，与所述电组件的所述周期性切换信号同步地测量所述电压和所述电流，其中根据在连续开关周期内的相当的时刻处所测量的电压值和电流值来确定所述电阻值。
3.根据权利要求1或2所述的测量方法，其中，所述电组件是开关电源(1)，并且其中所述部件是所述开关电源(1)的开关转换器(5)的开关晶体管(50)。
4.一种用于监测电组件的部件的测量电路(10)，包括模拟/数字转换器(14)，所述模拟/数字转换器(14)经由多路复用器(13)连接到所述电组件，以选择性地测量至少一个部件两端的电压或经过所述部件的电流。
5.根据权利要求4所述的测量电路(10)，包括连接在所述多路复用器(13)上游的限压电路(123)，所述限压电路(123)用于将输入电压(Vein)限制为最大值。
6.根据权利要求4或5所述的测量电路(10)，包括同步装置，所述同步装置用于与来自所述电组件的周期性切换信号同步地测量电压和/或电流。
7.根据权利要求6所述的测量电路(10)，其被设计成在所述周期性切换信号的连续开关周期中测量电压和电流，并且被设计成基于在连续开关周期内的相当的时刻处所测量的电压值和电流值来确定电阻值。
8.一种电组件，包括根据权利要求4至7中任一项所述的测量电路(10)，用于在所述电组件的操作期间测量所述电组件的部件的电阻值。
9.根据权利要求8所述的电组件，其被设计为具有开关转换器(5)的开关电源(1)，其中所述测量电路(10)被设计成测量所述开关转换器(5)的开关晶体管(50)的电阻(Ron50)。
10.根据权利要求9所述的电组件，其中，所述测量电路(10)另外被设计成测量初级滤波器级(4)的电容器(40)的等效串联电阻(ESR40)。
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