根据本发明的至少一个示例大体上涉及检测及校正电源转换器中的半导体击穿。
背景技术：
使用诸如不间断电源(ups)的电力设备为敏感和/或关键的负载，例如计算机系统及其它数据处理系统，提供了经调节的、不间断的电源是已知的。已知的ups包括在线ups、离线ups、在线互动式ups以及其他类型。在线ups在主要ac电源中断时，提供经调节的ac电源作为备用ac电源。离线ups通常不提供输入ac电源的调节，但是在主要ac电源中断时，会提供备用ac电源。在线互动式ups类似于离线式ups，在发生停电时，它们会切换到电池电源，但通常还包括用于调节ups提供的输出电压的一多抽头变压器。
技术实现要素：
根据本发明的至少一个方面，提供了一种不间断电源(ups)系统。所述不间断电源(ups)系统包括：一输入端，配置成用以接收输入电源；一接口，配置成用以耦接到一备用电源供应器并且从所述备用电源供应器接收备用电源；一输出端，配置成用以向一负载提供从所述输入电源及所述备用电源中的至少一个所获得的输出电源；一电源转换器，耦接到所述输入端；至少一个电容器；以及一击穿检测器，耦接到所述至少一个电容器，并且配置成用以：获得指示跨越所述至少一个电容器的一第一电压的一第一电压值；获得指示跨越所述至少一个电容器的一第二电压的一第二电压值；比较所述第一电压值与所述第二电压值；基于所述比较，确定所述至少一个电容器正处于一击穿状况；以及提供指示所述击穿状况的一输出信号。
在一实施例中，所述击穿检测器包括一延迟电路，所述延迟电路配置成用以将所述第一电压值延迟一延迟时段以生成一延迟的第一电压值。在一些实施例中，所述延迟时段在大约1-2微秒的范围内。在至少一个实施例中，所述击穿检测器还包括一比较器，所述比较器具有：一第一输入端，配置成用以接收所述延迟的第一电压值；一第二输入端，配置成用以接收所述第二电压值；以及一输出端，配置成用以响应于确定所述第二电压值大于所述第一电压值而输出指示一击穿状况的一信号。
在一实施例中，所述击穿检测器还包括一逻辑电路，所述逻辑电路配置成用以：从所述比较器的所述输出端接收指示所述击穿状况的所述输出信号；以及响应于在至少一阈值时间量内接收所述输出信号，输出指示所述击穿状况的一击穿信号。在一实施例中，所述逻辑电路还配置成用以接收一参数配置值以设置所述阈值时间量。在一些实施例中，所述阈值时间量为大约500纳秒。
在至少一个实施例中，所述击穿检测器还包括一峰值检测且保持电路，所述峰值检测且保持电路配置成用以接收所述第一电压、检测所述第一电压的一峰值，并且保持所述第一电压的所述峰值，所述第一电压的所述峰值对应于所述第一电压值。在一些实施例中，所述ups系统还包括一控制器，耦接到所述击穿检测器，其中所述击穿检测器还配置成用以将所述输出信号提供给所述控制器，以及其中所述控制器配置成用以控制耦接到所述至少一个电容器的至少一个开关装置，使所述开关装置响应于接收所述输出信号而处于一断开且非导电位置。
提供了一种检测一电容器中的一击穿状况的方法，所述方法包括了：获得一第一电压值，所述第一电压值指示跨越所述电容器的一第一电压；获得一第二电压值，所述第二电压值指示跨越所述电容器的一第二电压；比较所述第一电压值与所述第二电压值；基于所述比较，确定所述电容器正处于一击穿状况；以及输出指示所述击穿状况的一输出信号的行动。
在一实施例中，获得所述第二电压值包括在从获得所述第一电压值的时间开始的一延迟时段之后，获得所述第二电压值。在至少一个实施例中，所述方法还包括响应于输出所述输出信号而减轻所述击穿状况。在一些实施例中，减轻所述击穿状况包括控制与所述电容器耦接的至少一个开关装置处于一断开且非导电状态。在至少一个实施例中，确定所述电容器正处于一击穿状况包括确定所述第二电压值在一阈值时间段内超过所述第一电压值至少一阈值量。
在一实施例中，所述方法还包括从一用户接收与所述阈值量对应的一配置参数。在一些实施例中，所述方法还包括从一用户接收与所述阈值时间段对应的一配置参数。在至少一个实施例中，所述阈值时间段为大约500纳秒。在一实施例中，获得所述第一电压值包括检测所述第一电压的一峰值并且保持所述第一电压的所述峰值。
根据一个方面，提供了一种不间断电源(ups)系统。所述不间断电源(ups)系统包括：一输入端，配置成用以接收输入电源；一输出端，配置成用以向至少一个负载提供输出电源；至少一个电容器，耦接至至少一个开关装置；以及基于跨越所述至少一个电容器的一第一电压及跨越所述至少一个电容器的一第二电压，用于识别所述至少一个电容器中的一击穿状况的装置。在一实施例中，所述ups系统还包括用于操作所述至少一个开关装置以减轻所述击穿状况的装置。
附图说明
下面参照附图讨论至少一个实施例的各个方面，这些附图并非意图按比例绘制。包括附图以提供对各个方面和实施例的说明和进一步的理解，并且附图被并入本说明书中并构成本说明书的一部分，但并不意图作为对任何特定实施例的限制的定义。附图以及说明书的其余部分，用于解释所描述和要求保护的方面和实施例的原理和操作。在附图中，在各个附图中示出的每个相同或几乎相同的组件由相似的数字表示。为了清楚起见，并非每个组件都可以在每个附图中标记。在附图中：
图1示出了一种常规的三电平逆变器。
图2示出了根据一实施例的一种三电平转换器。
图3示出了根据一实施例的一种消除或减轻电容器击穿的过程。
图4示出了根据一实施例的一种检测电容器击穿的过程。
图5示出了根据一实施例的一种击穿检测电路。
图6示出了一种不间断电源的一框图。
具体实施方式
本文讨论的方法和系统的示例不限于应用于以下描述中阐述的或附图中示出的构造细节和部件布置。该方法和系统能够在其他实施例中实现并且能够以各种方式实践或实施。这里提供的具体实现的示例仅用于说明性目的，而不是限制性的。特别地，结合任何一个或多个示例讨论的动作、组件、元件和特征不旨在从任何其他示例中的类似角色中排除。
此外，本文使用的措辞和术语是出于描述的目的，而不应被视为限制。本文中以单数形式提及的对系统和方法的示例、实施例、组件、元件或动作的任何引用也可以包括多个的实施例，并且本文中的任何实施例、组件、元件或动作的复数形式的任何引用也可以包含只包括一个奇点的实施例。单数或复数形式的参考并不旨在限制当前公开的系统或方法、其组件、动作或元件。这里使用的“包括”、“包含”、“具有”、“含有”、“涉及”及其变形意味着包括其后列出的项目及其等同物以及附加项目。
对“或”的引用可以被解释为包含性的，使得使用“或”描述的任何术语可以指示单个，多于一个和所有所描述的术语中的任何术语。此外，如果本文件与通过引用并入本文的文件之间的术语使用不一致，则并入的参考文献中的术语用法是对本文件的补充；对于不可调和的不一致性，以本文档中的术语用法为准。
某些电源装置，例如不间断电源(ups)，可能包括电源调节电路。电源调节电路可以包括与电容器串联耦接的两个或更多个半导体开关装置。如果同时打开半导体或有一条穿过半导体的导电路径，则电容器可能会以本领域称为“击穿”的现象迅速通过半导体放电。在某些情况下，击穿可能被认为是不利的，因为它会损坏ups中的一个或多个组件。
击穿可能是有意或无意的。例如，意外的击穿可能是由故障的半导体装置、栅极驱动器或控制信号引起的。尽管许多半导体的额定击穿强度可达到数微秒，在此期间流过半导体的电流受到半导体饱和的限制，但无意的击穿至少可能仍被认为是不利的，由于施加在各个组件上的电压应力。因此，在不显着增加实现至少一个电容器的电源装置的尺寸及成本的情况下，能够检测及减轻击穿可能是有利的。
图1示出了一种常规的三电平逆变器100。所述逆变器100可以例如在一不间断电源(ups)中实现。所述逆变器100包括一第一dc电容器102、一第二dc电容器104、一第一半导体106、一第二半导体108、一第三半导体110、一第四半导体112、一逆变器扼流圈114及一输出电流传感器116。
如果所述第一dc电容器102或所述第二dc电容器104短路，则击穿可能发生在所述逆变器100中。例如，如果所述第一半导体106及所述第四半导体112同时打开并且导电，所述第一dc电容器102可以通过包括所述第一dc电容器102、所述第一半导体106、所述第四半导体112及与所述第三半导体110并联耦接的一个二极管的一路径来放电。
在一些常规解决方案中，将一先进的栅极驱动器与一电压传感器结合使用，以检测及减轻击穿。例如，所述先进的栅极驱动器可以测量跨越所述第一半导体106的电压，并且如果所述电压超过一预设的阈值(例如，大约7v)，则所述先进的栅极驱动器可以关闭所述第一半导体106，以防止或限制通过所述第一半导体106的一电流，从而终止所述击穿状况。然而，先进的栅极驱动器可能昂贵、复杂并且体积较大，特别是需要驱动的半导体数量增加。
鉴于前述内容，在不过度增加成本、复杂性及物理占用空间的情况下，提供了一种检测及减轻击穿的系统。一个相对简单的电路被实现来测量一电容器电压值，保持所述测量到的电压值，并且在一延迟之后比较所述测量到的电压值与一随后测量到的电容器电压值。响应基于所述延迟电压值与所述新测量到的电压值的所述比较来检测一击穿状况，所述电路可以被配置成用以关闭一个或多个半导体，以防止或减轻所述击穿状况。
本文描述的至少一个实施例是针对一种三电平不间断电源(ups)拓扑，其细节被更详细地描述，例如在2014年6月27日提交的标题为“3-levelpowertopology”的美国专利申请no.15/320,622中，其全部内容通过引用合并于此。此外，本文描述的系统可以应用于其他ups拓扑或电源系统中。
图2是根据本文描述的一个实施例的一种三电平电源转换器200的一示意图。所述三电平逆变器200包括三个功率转换支路，在某些实施例中，每个功率支路均类似地操作。所述三电平逆变器200包括三个电源转换分支，在特定的实施例中，每个电源转换分支均类似地操作。例如，所述三电平电源转换器200可以被配置成用以接收三相电源，并且将三相电源中的每个相提供给所述三个分支中的一相应分支。为了说明清楚，将具体标示出所述三个分支中的一第一分支的特定组件。其他分支可以包括类似操作的相似组件。
所述三电平电源转换器200包括一第一输入端201、一功率因数校正(pfc)部分202、一直流(dc)链接部分204、一逆变器部分206及一第一输出端207。所述pfc部分202包括一输入电感器208、一第一开关210、一第二开关212、一第三开关214及一第四开关216。所述dc链接部分204包括一第一备用电源供应器节点217、一第五开关218、一第一电容器220、一第一击穿检测器221、一第二电容器222、一第二击穿检测器223、一第六开关224及一第二备用电源供应器节点225。所述逆变器部分206包括一第七开关226、一第八开关228、一第九开关230、一第十开关232及一输出电感器234。所述pfc部分202、所述dc链接部分204及所述逆变器部分206共同包括一第一dc总线238及一第二dc总线240。
根据一实施例，所述第一开关210及所述第二开关212是1200v绝缘栅双极晶体管(igbt)；然而，在其他实施例中，所述开关210、212的额定值可以不同，或者可以使用不同类型的开关(例如，如果在所述pfc部分202中的单向电源转换就足够了，则所述开关210、212可以用二极管代替)。在一实施例中，所述第九开关230及所述第十开关232为1200vigbt；然而，在其他实施例中，所述开关230、232的额定值可以不同，或者可以使用不同类型的开关。
在一实施例中，所述第三开关214、所述第四开关216、所述第七开关226及所述第八开关228是600vigbt；然而，在其他实施例中，所述开关214、216、226、228的额定值可以不同，或者可以使用不同类型的开关。所述开关210-216、226-232中的每一个可以包括耦接在它的集电极与发射极之间的一内部二极管。根据一实施例，所述第五开关218及所述第六开关224是600v的金属氧化物半导体场效应晶体管(mosfet)；然而，在其他实施例中，所述开关218、224的额定值可以不同，或者可以使用不同类型的开关(例如，igbt)。在所述开关218、224被实现为mosfet的情况下，每个开关218、224可以包括耦接在它的漏极与源极之间的一内部二极管。
所述第一输入端201配置成用以耦接到一三相电源(例如，一主电源)并且耦接到所述输入电感器208。所述输入电感器208的一第一端子耦接到第一输入端201，并且所述输入电感器208的一第二端子耦接到所述第一开关210的所述发射极、所述第二开关212的所述集电极及所述第三开关214的所述集电极。所述第一开关210的所述集电极耦接到所述第一dc总线238。所述第一开关210的所述发射极耦接到所述输入电感器208、所述第二开关212的所述集电极及所述第三开关214的所述集电极。
所述第二开关212的所述集电极耦接到所述输入电感器208、所述第一开关210的所述发射极及所述第三开关214的所述集电极。所述第二开关212的所述发射极耦接到所述第二dc总线240。所述第三开关214的所述集电极耦接到所述输入电感器208、所述第一开关210的所述发射极及所述第二开关212的所述集电极。所述第三开关214的所述发射极耦接到所述第四开关216的所述发射极。所述第四开关216的所述发射极耦接到所述第三开关214的所述发射极。所述第四开关216的所述集电极耦接到所述第一电容器220、所述第二电容器222及所述第七开关226的所述集电极。
所述第五开关218的所述源极耦接到所述第一dc总线238。所述第五开关218的所述漏极耦接到所述第一电容器220。所述第一电容器220在一第一连接处耦接到所述第五开关218的所述漏极，并且在一第二连接处耦接到所述第四开关216的所述集电极、所述第二电容器222及所述第七开关226的所述集电极。所述第一电容器220还与所述第一击穿检测器221并联耦接。所述第二电容器222在一第一连接处耦接到所述第一电容器220、所述第四开关216的所述集电极及所述第七开关226的所述集电极，并且在一第二连接处耦接到所述第六开关224的所述源极。
所述第二电容器222还配置成用以与所述第二击穿检测器223并联耦接。所述第六开关224的所述源极耦接到所述第二电容器222，并且所述第六开关224的漏极耦接到所述第二dc总线240。所述第七开关226的所述集电极耦合到所述第一电容器220、所述第四开关216的所述集电极及所述第二电容器222。所述第七开关226的所述发射极耦接到所述第八开关228的所述发射极。所述第八开关228的所述发射极耦接到所述第七开关226的所述发射极。所述第八开关228的所述集电极耦接到所述第九开关230的所述发射极、所述第十开关232的所述集电极及所述输出电感器234。
所述第九开关230的所述集电极耦接到所述第一dc总线238，并且所述第九开关230的所述发射极耦接到所述第八开关228的所述集电极、所述第十开关232的所述集电极及所述输出电感器234。所述第十开关232的所述集电极耦接到所述第八开关228的所述集电极、所述第九开关230的所述发射极及所述输出电感器234。所述第十开关232的所述发射极耦接到所述第二dc总线240。所述输出电感器234在一第一连接处耦接到所述第八开关228的所述集电极、所述第九开关230的所述发射极及所述第十开关232的所述集电极，并且在一第二连接处耦接到所述第一输出端207。所述第一输出端207耦接到所述输出电感器234，并且配置成用以耦接到一个或多个负载。
所述控制器236配置成用以通信地耦接至所述开关210、212、214、216、216、218、224、226、228、230、232中的一个或多个的一相应控制端子。所述第一dc总线238耦接到所述第一开关210的所述集电极、所述第五开关218的所述源极、所述第九开关230的所述集电极及所述第一备用电源供应器节点217。所述第二dc总线240耦接到所述第二开关212的所述发射极、所述第六开关224的所述漏极、所述第十开关232的所述发射极及所述第二备用电源供应器节点225。
在一些实施例中，所述三电平电源转换器200可以配置成用以接收输入电源、转换所述输入电源并且提供所述转换后的电源给一输出端。例如，所述三电平电源转换器200可以从一电源，例如一主电源，接收三相输入电源。所述三相电源中的一个相可以在所述第一输入端201处被接收、转换并且提供给所述第一输出端207。替代地或附加地，通过所述第一备用电源供应器节点217和/或所述第二备用电源供应器节点225，所述三电平电源转换器200可以从至少一个备用电源供应器接收备用电源。例如，至少一个备用电源供应器可以是配置成用以提供dc电源的一dc电池。
下面更详细地描述所述三电平电源转换器200的操作，其涉及正常的操作模式，更具体地，涉及在所述第一输入端201处接收的一输入波形的一正部分。仅出于示例性目的描述了所述输入波形的所述正部分，并且类似的原理可能适用于在所述第一输入端201处接收的所述输入波形的所述负部分。
继续以上示例，可以在所述第一输入端201处接收所述三相输入电源中的一个相。所述控制器236操作所述第一开关210及所述第三开关214作为一升压转换器，以转换三相输入电源中的一个相成为转换后的dc电源。所述转换后的dc电源提供给所述第一dc总线238。所述第九开关230通过所述控制器236操作以将来自所述第一dc总线238的dc电源转换成经调节的ac电源。所述经调节的ac电源通过所述输出电感器234提供给所述第一输出端207。
在所述备用操作模式下，所述三电平电源转换器200的操作类似于所述正常操作模式，除了在一些实施例中，所述三电平电源转换器200，在备用操作模式期间，通过所述第一备用电源供应器节点217及所述第二备用电源供应器节点225中的一个或两个来接收能量。例如，所述三电平电源转换器200可以从耦接到所述第一备用电源供应器节点217和/或所述第二备用电源供应器节点225的至少一个备用电源供应器接收能量。从至少一个备用电源供应器接收的所述能量可以至少部分地提供给所述逆变器部分206，所述逆变器部分206可以依次处理所述能量以产生一逆变的ac输出。
在一些实施例中，耦接到所述第一备用电源供应器节点217和/或所述第二备用电源供应器节点225的所述至少一个备用电源供应器通过所述三电平电源转换器200经所述第一备用电源供应器节点217和/或所述第二备用电源供应器节点225来充电。因此，所述第一备用电源供应器节点217及所述第二备用电源供应器节点225在本文中可以被称为电源接口，所述电源接口配置成用以在三电平电源转换器200与所述至少一个备用电源供应器之间交换电源。
所述第一电容器220及所述第二电容器222可能容易发生一击穿状况。如上所述，如果一电容器意外短路，可能会发生击穿。例如，如果所述第一电容器220或所述第二电容器222短路，则所述第一电容器220或所述第二电容器222可能会经历击穿。以所述第一电容器220为例，如果所述第五开关218、所述第九开关230及所述第八开关228同时处于一闭合且导电位置(即“打开”位置)，则可能发生一击穿状况。如上所述，例如，如果由于半导体装置、栅极驱动器或控制信号出现故障，所述第五开关218、所述第九开关23及所述第八开关228同时处于一闭合且导电位置，则可能会无意中发生击穿。
所述第一击穿检测器221配置成用以检测所述第一电容器220的一击穿状况，并且所述第二击穿检测器223配置成用以检测所述第二电容器222的一击穿状况。如果所述第一击穿检测器221和/或所述第二击穿检测器223检测到一击穿状况，所述第一击穿检测器221和/或所述第二击穿检测器223可以配置成用以传送一个或多个信号以终止或减轻所述击穿状况。
例如，因为所述第五开关218与所述第一电容器220串联耦接，并且所述第六开关224与所述第二电容器222串联耦接，所述第一电容器220及所述第二电容器222分别通过所述第五开关218及所述第六开关224放电。在一实施例中，如果所述第一击穿检测器221和/或所述第二击穿检测器223检测到一击穿状况，所述第一击穿检测器221和/或所述第二击穿检测器223可以传送一个或多个信号到所述控制器236。
所述控制器236可以配置成用以响应于从所述击穿检测器221、223接收到的一个或多个信号来控制一个或多个开关装置。例如，控制所述一个或多个开关装置可以包括控制所述第五开关218和/或所述第六开关224进入一断开且非导电状态(即一“关闭”状态)，以防止所述第一电容器220和/或所述第二电容器222继续放电。在替代实施例中，所述击穿检测器221、223可以直接控制所述一个或多个开关装置，而无需与所述控制器236通信。
图3示出了减轻或消除在至少一个电容器中的击穿的一过程300。例如，所述过程300可以至少部分地通过所述第一击穿检测器221、所述第二击穿检测器223及所述控制器236中的一个或多个执行。所述过程300包括以下步骤：获得一电容器电压值，确定是否检测到一击穿状况，传送控制信号传给所述控制器以及解决所述击穿状况。
在动作302，所述过程300开始。在动作304，获得一电容器的一电压值。例如，所述第一击穿检测器221可以采样所述第一电容器220的一电压电平以获得所述电压值。在动作306，确定是否检测到一击穿状况。动作306的一个实施例会在以下相对于图4更详细地讨论。如图4所示，一电容器的一击穿状况被检测出来，当跨越所述电容器的一电压在一延长的时间段内迅速下降。
如果没有检测到一击穿状况(306为否)，则所述过程300返回到动作304。反之，如果检测到一击穿状况(306为是)，则所述过程300继续进行到动作308。在动作308，响应于确定检测到一击穿状况，控制信号被传送到一控制器。例如，如果所述第一击穿检测器221确定所述第一电容器220正在经历一击穿状况，然后，所述第一直通检测器221可以将指示所述第一电容器220正经历一击穿状况的一信号传送到所述控制器236。
在动作310，解决一检测到的击穿状况。例如，解决在所述第一电容器220中的一击穿状况可以包括通过所述控制器236控制所述第五开关218进入一断开且非导电位置。在替代实施例中，所述第一击穿检测器221可以直接控制所述第五开关218，而无需与所述控制器236交互。如上所述，因为所述第一电容器220与所述第五开关218串联耦接，所以通过使所述第一电容器220断路控制所述第五开关218进入一断开且非导电位置可以来减轻或消除击穿。
在动作310解决所述击穿状况可以包括多个附加动作。例如，所述控制器236可以触发指示所述击穿状况的一警报。触发所述警报可以包括一或多个动作，其向一人类操作员警告所述击穿状况。例如，触发所述警报可以包括发送一通知给所述人类操作员、点亮一发光二极管(led)、发出一声音警报等等。在动作312，所述过程300结束。
图4示出了根据一实施例的一种检测一击穿状况的过程400。例如，所述过程400可以更详细地示出所述过程300的动作306的示例。所述过程400可以通过一击穿检测器来执行，例如所述第一击穿检测器221或所述第二击穿检测器223。所述过程400包括以下动作：比较一瞬时电容器电压与一先前获得的电容器电压；确定是否超过一电压阈值；确定是否已经经过了一足够的时间量；以及生成一检测信号。
在动作402，所述过程400开始。在动作404，比较一瞬时电容器电压与一先前采样的电容器电压。例如，所述先前采样的电容器电压可以是通过一捕获且保持电路所获取的一峰值电压，所述峰值电压已经被延迟了一时间段。在一些实施例中，在与一瞬时电压比较之前，可以将所述先前采样的峰值电压可以保持并且延迟约1-2微秒(μs)。
在动作406，确定是否满足一标准。例如，所述第一击穿检测器221可以确定一瞬时电压是否超过所述延迟峰值电压测量值多于一阈值量。所述阈值量可以相对于所述延迟峰值电压测量值来表示(例如，表示为所述延迟峰值电压测量值的一百分比)，或者其他方式(例如，表示为一固定电压值)。如果未满足所述标准(406为否)，则没有检测到击穿状况(306为否)，并且所述过程400通过返回所述过程300的306否而结束。反之(406为是)，所述过程400继续进行到动作408。
在动作408，确定是否经过了一足够的时间。例如，所述第一击穿检测器221可以确定所述瞬时电压是否在一阈值时间段内连续超过所述延迟峰值电压测量值多于一阈值量。在一示例中，所述阈值时间量可以为大约500纳秒(ns)。如果所述瞬时电压在一阈值时间量内未连续超过所述延迟峰值电压测量值(408为否)，则未检测到击穿状况(306为否)，并且所述过程400通过返回所述过程300的306为否而结束。反之(408为是)，所述过程400续动作410。在动作410，生成一击穿检测信号。例如，所述第一击穿检测器221可以生成指示所述第一电容器220正在经历一击穿状况的一信号(306为是)。
图5示出了根据至少一个实施例的一击穿检测电路500的一示意图。所述击穿检测电路500包括一电容器502及一击穿检测器504。在一些实施例中，所述电容器502可以绘示为所述第一电容器220或所述第二电容器222的一实施例，并且所述击穿检测器504可以绘示为所述第一击穿检测器221或所述第二击穿检测器223的一实施例。如下面更详细地讨论的，所述击穿检测器504可以配置成用以至少部分地基于跨越所述电容器502的一电压来检测跨越所述电容器502的一击穿状况。
所述电容器502被示为包括一理想电容器506、一理想电感器508及一等效串联电阻器510的一等效电路。如本领域普通技术人员将理解的，所述理想电容器506、所述理想电感器508及所述等效串联电阻器510不是物理上、分立的组件，并且仅出于解释清楚的目的而被示为分离的组件。所述电容器502还包括配置成用以耦接到一个或多个外部组件(未示出)的一第一连接507及一第二连接件509。
所述击穿检测器504包括一阻断且感测电路512、一峰值检测且保持电路514、一延迟电路516、一比较器518、一逻辑电路520及一输出端522。所述阻断且感测电路512包括一dc阻断电容器524及一电阻器526。所述峰值检测且保持电路514包括一第一二极管528、一第二二极管530、一电容器532、一加法器534及一电阻器540，并且所述峰值检测且保持电路514配置成用以接收一第一输入信号536及一第二输入信号538。
所述理想电容器506在一第一连接处耦接到一第一连接507及所述dc阻断电容器524，并且在一第二连接处耦接到所述理想电感器508。所述理想电感器508在一第一连接处耦接到所述理想电容器506，并且所述等效串联电阻器510在一第二连接处耦接。所述等效串联电阻器510在一第一连接处耦接到所述理想电感器508，并且在一第二连接处耦接到一参考节点511(例如，一中性节点)、所述第二连接509及所述电阻器526。
所述第一连接507耦接到所述理想电容器506及所述dc阻断电容器524，并且被配置成用以耦接到至少一个外部组件。类似地，所述第二连接509耦接到所述等效串联电阻器510、所述参考节点511及所述电阻器526，并且被配置成用以耦接到至少一个外部组件。例如，在所述电容器502示出所述第一电容器220的实施例的情况下，所述第一连接507可以被配置成用以耦接到所述第五开关218，并且所述第二连接509可以被配置成用以耦接到所述第四开关216、所述第二电容器222及所述第七开关226。
所述dc阻断电容器524在一第一连接处耦接到所述理想电容器506及所述第一连接507，并且在一第二连接处耦接到所述电阻器526、所述第一二极管528及所述比较器518的一非反相连接。所述电阻器526在一第一连接处耦接到所述dc阻断电容器524、所述第一二极管528及所述比较器518的非反相连接，并且在一第二连接处耦接到所述第二连接509、所述等效串联电阻器510及所述参考节点511。
所述第一二极管528在一阳极连接处耦接到所述dc阻断电容器524、所述电阻器526及所述比较器518的非反相连接，并且在一阴极连接处耦接到所述第二二极管530的一阴极连接、所述电容器532、所述电阻器540及所述加法器534的一第一输入端。所述第二二极管530配置成用以在一阳极连接处接收所述第一输入信号536，并且在一阴极连接处耦接到所述第一二极管528的所述阴极连接、所述电容器532、所述电阻器540及所述加法器534的所述第一输入端。所述电容器532在一第一连接处耦接到所述第一二极管528的所述阴极连接、所述第二二极管530的所述阴极连接及所述加法器534的所述第一输入端，在一第二连接处耦接到所述参考节点511，并且与所述电阻器540并联耦接。所述电阻器540在一第一连接处耦接到所述第一二极管528的所述阴极连接、所述第二二极管530的所述阴极连接及所述加法器534的所述第一输入端，在第二连接处耦接到所述参考节点511，并且与所述电容器532并联。
所述加法器534在一第一输入端耦接到所述第一二极管528、所述第二二极管530、所述电容器532及所述电阻器540，所述加法器534配置成用以在第二输入端接收所述第二输入信号538，并且所述加法器534配置成用以在一输出端耦接到所述延迟电路516。所述延迟电路516在一输入连接处耦接至所述加法器534，并且在一输出连接处耦接至所述比较器518的一反相连接。
所述比较器518在所述非反相连接处耦接到所述dc阻断电容器524，所述电阻器526及所述第一二极管528，所述比较器518在一反相连接处耦接到所述延迟电路516，并所述比较器518配置成用以在一输出连接处耦接到所述逻辑电路520。所述逻辑电路520配置成用以在一第一连接处耦接至所述比较器518的所述输出端，并且所述逻辑电路520配置用以在一第二连接处耦接至所述输出端522。如上所述，所述击穿检测器504可以配置成用以基于跨越所述电容器502的一电压来检测所述电容器502的一击穿状况。一般而言，所述击穿检测器504配置成用以测量跨越所述电容器502的一电压(即，所述第一连接507与所述第二连接509之间的电压差)、检测所测量的电压的一峰值，并且将所述峰值保持一段时间。
在所述延迟时段之后，所述击穿检测器504可以再次测量跨越所述电容器502的所述电压以获得一瞬时电压，并且比较所述瞬时电压与所述延迟峰值电压。如果所述瞬时电压在一阈值时间量内连续超过所述延迟峰值电压一阈值量，则可以确定发生一击穿状况，并且可以响应于此采取一适当的纠正措施。
所述击穿状况的发生的确定可以基于在一击穿状况期间跨越所述电容器502的所述电压迅速降低的状况。由于所述比较是在短时间内收集的两个电容器502电压样本之间执行的，因此所述击穿状况的发生的确定可以相对不受所述电容器502的特性(例如，阻抗特性)的长期变化的影响。因此，所述击穿检测器504可以比配置成用以独立于所述电容器的一先前电压测量值来确定一电容器电压是否降低了大于一固定值(例如，在制造所述电容器时确定的固定值)的一种击穿检测器更可靠。
在一个示例中，所述击穿检测器504可以在所述阻断且感测电路512处接收一输入电压，所述输入电压指示所述第一连接507与所述第二连接509之间的一电压。所述击穿检测器504配置成用以通过阻断所述输入电压的一dc组件(例如，使用所述阻断且感测电路512的所述dc阻断电容器524)来过滤所述输入电压，并且用以提供所述过滤后的输入电压给所述比较器及所述峰值检测且保持电路514的所述非反向连接。
所述峰值检测且保持电路514配置成用以检测所接收的输入电压的一峰值、将所述峰值电压保持一时间段，并且提供指示所述峰值电压的一输出信号给所述延迟电路516。所述延迟电路516将所述输出信号保持一时间段(例如1-2μs)，并且一旦经过所述时间段，就提供所述输出信号给所述比较器518的所述反相连接。在一些实施例中，所述延迟电路516还可以包括可用于产生一信号延迟的一模拟低通滤波器。所述比较器518比较在所述非反相端子处接收的一瞬时电压与在所述反相连接处接收的一延迟输出信号，并且提供指示所述比较的一输出信号。
所述输出信号指示在所述反相连接与所述非反相连接处接收的输入之间的关系。例如，如果在非反相端子接收的输入(即所述瞬时电压)大于在反相端子接收的输入(即从所述延迟峰值电压得出的一电压信号)，则所述比较器518将输出指示其的信号(例如，一逻辑高或逻辑低值)。反之，如果在非反相端子处接收的所述输入电压小于在反相端子处接收的所述输入电压，则所述比较器518将输出具有一相反值(例如，一逻辑低或逻辑高值)的一信号。
所述逻辑电路520确定所述比较器518的所述输出信号是否已经连续指示所述瞬时电压大于所述延迟电路516的所述输出大于一阈值时间段(例如500ns)。如果是这样，则所述逻辑电路520可以确定一击穿状况正在发生并且输出指示所述击穿状况的一信号到所述输出端522。例如，所述逻辑电路520可以通过所述输出端522传送所述信号到所述控制器(例如，所述控制器236)，以自动地解决所述击穿状况。如上所述，解决所述击穿状况可以包括断开耦接到呈现所述击穿状况的所述电容器的一开关装置。
现在将更详细地描述所述峰值检测且保持电路514。在一些实施例中，在从电容器502接收的输入小于最小基值的情况下，脊测量和保持电路514至少输出最小基值。在一些实施例中，所述峰值检测且保持电路514输出至少一个最小基值，其中从所述电容器502接收的一输入小于所述最小基值。所述最小基值通过所述第一输入信号536所设置，并且可以被实现为避免一击穿状况的误报检测。
仅出于说明的目的，所述峰值检测且保持电路514的操作可以视为具有一闲置状态及一正常状态。一般而言，可以通过所述第二二极管530是反向偏置(例如，在所述正常状态下)还是正向偏置(例如，在所述闲置状态下)来定义所述状态。
在所述闲置状态下，所述电容器532基本上被放电，并且未被所述电容器502充电。在一个示例中，所述第一输入信号536配置成用以具有一足够大的值，以至少在所述电容器532基本放电时使所述第二二极管530正向偏置。在其他示例中，所述第一输入信号536可以配置成用以当所述电容器532充电至各种部分电荷水平时使所述第二二极管530正向偏置。当所述第二二极管530正向偏置，所述第一输入信号536被提供给所述加法器534的所述第一输入端。
在所述正常状态下，所述电容器532正在通过所述电容器502充电，或保持至少部分地从所述电容器502充电。如本领域的普通技术人员将理解的，所述第一二极管528及所述电容器532可以作为一峰值保持电路，所述峰值保持电路配置成用以保持在所述第一二极管528的所述阳极接收到的一电压信号的一峰值。所述第二二极管530保持在一反向偏置状态。所述加法器534的所述第一输入端接收来自所述电容器532的一输入信号，所述信号表示跨越所述电容器502的一最近接收到的峰值电压值。
所述加法器534配置成用以在一第一输入处接收所述第一输入信号536及指示跨越所述电容器502的所述最近接收到的峰值电压值的所述信号中的至少一个，并且接生所述第二输入信号538在一第二输入处。所述加法器534对所述第一输入处及所述第二输入处接收到的信号求和，并且输出所述和到所述延迟电路516。
所述第二输入信号538可以被实现为提供一缓冲值，所述缓冲值指示对于要检测的所述击穿状况所述瞬时电压必须超过所述延迟峰值电压的量。从数学上讲，当所述峰值检测且保持电路514处于正常状态时，所述比较器518将在以下情况下输出指示检测到一击穿状况的一信号：
vinstantaneous>vpeak vbuffer
其中vinstantaneous是在所述比较器518的非反相连接处所量测到的一电压，vpeak是通过所述电容器532所保持的跨越所述电容器502的一最近保持的峰值电压，并且vbuffer是从所述第二输入信号538导出的一缓冲电压。因此，所述第二输入信号538防止所述比较器518提供一虚假正输出，其中vinstantaneous超过vpeak一可以忽略不计量(即，小于vbuffer的量)，即使在不存在击穿状况的情况下也可能发生。
相对于现有技术，本文描述的一击穿检测器的实施例可以以最小的成本、复杂性及物理占用空间提供击穿检测。此外，本文描述的实施例是高度可配置的。例如，所述第一输入信号536及所述第二输入信号538可以配置成用以确定击穿检测误报正确与漏报之间的一适当平衡。在一个示例中，与所述第一输入信号536及所述第二输入信号538中的每一个相对应的电流值约为200a。在此示例中，所述击穿电流必须比正常操作先前在阈值时间段内检测到的最大电流至少大200a，以确定一击穿状况正在发生。
通过所述延迟电路516引入的所述延迟时段也可以是可配置的。例如，在一个实施例中，通过所述延迟电路516引入的所述延迟时段在1-2μs的范围内。类似地，可以通过所述逻辑电路520配置所述比较器518必须输出指示所述击穿状况的一信号的最小时间量。此外，可以根据各种设计偏好来选择所述击穿检测器503的组件。例如，在一实施例中，具有一快速充电时间及一缓慢放电时间的所述电容器532被选定是较优的。在一示例中，所述电容器532是10nf电容器，其充电时间常数约为0.2μs，放电时间常数约为1ms。类似地，可以根据各种设计偏好来选择所述比较器518。例如，在一些实施例中，可能希望选择具有最小传播延迟的比较器，从而减少直通检测与直通缓解或消除之间的时间。
如上所述，可以在不间断电源(ups)中实现本文描述的至少一些实施例。例如，图6是一种ups600的一框图。所述ups600包括一输入端602、一ac/dc转换器604、一dc链接606、一dc/dc转换器608、一电池610、一控制器612、一dc/ac逆变器614及一输出端616。
所述dc链接606耦接到所述ac/dc转换器604、所述dc/dc转换器608及所述dc/ac逆变器614。所述dc/dc转换器608耦接到所述dc链接606及所述电池610，并且通信地耦接到所述控制器612。所述电池610耦接到所述dc/dc转换器608。所述dc/ac逆变器614耦接到所述dc链接606及所述输出端616，并且通信地耦接到所述控制器612。所述输出端616耦接到所述dc/ac逆变器614，并且耦接到一外部负载(未示出)。
所述输入端602配置成用以耦接到一ac主电源并且用以接收具有一输入电压电平的一输入ac电源。例如，所述输入端602可以配置成用以接收一相ac主电源、三相ac主电源或具有不同相数的输入电源。所述ups600配置成用以基于提供给所述输入端602的所述ac电源的所述输入电压电平，以不同的操作模式进行操作。当提供给所述输入端602的ac电源是可接受的时(即，通过具有满足指定值的参数)，所述ups600以一正常操作模式操作。
在所述正常操作模式下，在所述输入端602接收到的ac电源被提供给所述ac/dc转换器604。所述ac/dc转换器604将所述ac电源转换为所述dc电源，并且提供所述dc电源给所述dc链接606。所述dc链接606可以包括配置成用以存储接收到的能量的一个或多个能量存储装置(例如，一个或多个电容器)。在一些示例中，所述ac/dc转换器604可以包括所述整流器200、所述整流器300和/或所述整流器400。所述dc链接606将所述dc电源分配给所述dc/dc转换器608及所述dc/ac逆变器614。所述dc/dc转换器608转换所述接收到的dc电源，并且提供所述转换后的dc电源提供给所述电池610以对所述电池610充电。所述dc/ac逆变器614从所述dc链接606接收所述dc电源、转换所述dc电源为经调节的ac电源，以及提供所述经调节的ac电源给所述输出端616以输送至一负载。
当从所述ac主电源提供给所述输入端602的ac电源是不可接受时(即，通过具有不满足指定值的参数)，所述ups600将以一备用操作模式进行操作。在所述备用操作模式下，所述dc电源从所述电池610放电到所述dc/dc转换器608。所述dc/dc转换器608转换所述接收到的dc电源，并且提供所述dc电源给所述dc链接606。所述dc链接606提供所述接收到的电源给所述dc/ac逆变器614。所述dc/ac逆变器614从所述dc链接606接收所述dc电源、转换所述dc电源为经调节的ac电源，以及提供所述经调节的ac电源给所述输出端616。
在所述备用操作模式期间，提供给所述dc链接606的电源是由所述电池610所提供，并且在所述正常操作模式期间，提供给所述dc链接606的电源是由连接到所述输入端602的一电源所提供。随后，通过所述dc/ac逆变器614汲取提供给所述dc链接606的电源，以产生ac电源，并且提供所述ac电源给连接到所述输出端616的一外部负载。在替代实施例中，所述电池610可以由诸如电容器或飞轮的替代能量存储装置所替代。
在一些实施例中，可以结合所述ups600的一个或多个组件来实现一击穿检测电路，例如所述击穿检测器504。例如，可以结合所述ac/dc转换器604、所述dc链接606或所述dc/ac逆变器614中的一个或多个来实现一击穿检测器。
如上所述，所述击穿检测器可以与至少一个控制器(例如所述控制器236、所述控制器612或其组合)结合而实现。使用存储在相关联的存储器中的数据，控制器还执行存储在一个或多个非暂时性计算机可读介质上的一个或多个指令，这可能导致被操纵的数据。在一些示例中，控制器可以包括一个或多个处理器或其他类型的控制器。在一个示例中，控制器是可商购的一通用处理器。在另一个示例中，控制器是现场可编程门阵列(fpga)控制器。
在又一示例中，控制器在处理器上执行本文公开的功能的一部分，并使用经调整以执行特定操作的专用集成电路(asic)来执行另一部分。如这些示例所说明的，根据本发明的示例可以使用硬件和软件的许多特定组合来执行本文所述的操作，并且本发明不限于硬件和软件组件的任何特定组合。
在一些实施例中，一个或多个控制器可执行本文讨论的一个或多个操作。例如，尽管所述第一击穿检测器221、所述第二击穿检测器223、所述击穿检测器504、所述控制器236及所述控制器612被绘示为分立的组件，但是在一些实施例中，一单个控制器可以配置成用以执行前述组件中的每一个的功能。例如，所述控制器236可以配置用以执行所述击穿检测器221、223、504的功能，包括检测一个或多个电容器中的击穿。在一些实施例中，例如，所述击穿检测器221、223、504中的至少一个的实施例可以是所述控制器236的组件。
因此，已经描述了至少一个实施例的几个方面，本领域技术人员将容易想到各种改变、修改和改进。这样的改变、修改和改进旨在作为本公开的一部分，并且旨在在本公开的范围内。因此，前面的描述和附图仅作为示例。
1.一种不间断电源(ups)系统，其特征在于，所述ups系统包括：
一输入端，配置成用以接收输入电源；
一接口，配置成用以耦接到一备用电源供应器并且从所述备用电源供应器接收备用电源；
一输出端，配置成用以向一负载提供从所述输入电源及所述备用电源中的至少一个所获得的输出电源；
一电源转换器，耦接到所述输入端；
至少一个电容器；以及
一击穿检测器，耦接到所述至少一个电容器，并且配置成用以：
获得指示跨越所述至少一个电容器的一第一电压的一第一电压值；
获得指示跨越所述至少一个电容器的一第二电压的一第二电压值；
比较所述第一电压值与所述第二电压值；
基于所述比较，确定所述至少一个电容器正处于一击穿状况；以及
提供指示所述击穿状况的一输出信号。
2.如权利要求1所述的ups系统，其特征在于：所述击穿检测器包括一延迟电路，所述延迟电路配置成用以将所述第一电压值延迟一延迟时段以生成一延迟的第一电压值。
3.如权利要求2所述的ups系统，其特征在于：所述延迟时段在大约1-2微秒的范围内。
4.如权利要求3所述的ups系统，其特征在于：所述击穿检测器还包括一比较器，所述比较器具有：
一第一输入端，配置成用以接收所述延迟的第一电压值；
一第二输入端，配置成用以接收所述第二电压值；以及
一输出端，配置成用以响应于确定所述第二电压值大于所述第一电压值而输出指示一击穿状况的一信号。
5.如权利要求4所述的ups系统，其特征在于：所述击穿检测器还包括一逻辑电路，所述逻辑电路配置成用以：
从所述比较器的所述输出端接收指示所述击穿状况的所述输出信号；以及
响应于在至少一阈值时间量内接收所述输出信号，输出指示所述击穿状况的一击穿信号。
6.如权利要求5所述的ups系统，其特征在于：所述逻辑电路还配置成用以接收一参数配置值以设置所述阈值时间量。
7.如权利要求5所述的ups系统，其特征在于：所述阈值时间量为大约500纳秒。
8.如权利要求1所述的ups系统，其特征在于：所述击穿检测器还包括一峰值检测且保持电路，所述峰值检测且保持电路配置成用以接收所述第一电压、检测所述第一电压的一峰值，并且保持所述第一电压的所述峰值，所述第一电压的所述峰值对应于所述第一电压值。
9.如权利要求1所述的ups系统，还包括一控制器，耦接到所述击穿检测器，
其中所述击穿检测器还配置成用以将所述输出信号提供给所述控制器，以及
其中所述控制器配置成用以控制耦接到所述至少一个电容器的至少一个开关装置，使所述开关装置响应于接收所述输出信号而处于一断开且非导电位置。
10.一种检测一电容器中的一击穿状况的方法，其特征在于，所述方法包括：
获得一第一电压值，所述第一电压值指示跨越所述电容器的一第一电压；
获得一第二电压值，所述第二电压值指示跨越所述电容器的一第二电压；
比较所述第一电压值与所述第二电压值；
基于所述比较，确定所述电容器正处于一击穿状况；以及
输出指示所述击穿状况的一输出信号。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于：获得所述第二电压值包括在从获得所述第一电压值的时间开始的一延迟时段之后，获得所述第二电压值。
12.如权利要求10所述的方法，还包括响应于输出所述输出信号而减轻所述击穿状况。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于：减轻所述击穿状况包括控制与所述电容器耦接的至少一个开关装置处于一断开且非导电状态。
14.如权利要求10所述的方法，其特征在于：确定所述电容器正处于一击穿状况包括确定所述第二电压值在一阈值时间段内超过所述第一电压值至少一阈值量。
15.如权利要求14所述的方法，还包括从一用户接收与所述阈值量对应的一配置参数。
16.如权利要求14所述的方法，还包括从一用户接收与所述阈值时间段对应的一配置参数。
17.如权利要求16所述的方法，其特征在于：所述阈值时间段为大约500纳秒。
18.如权利要求10所述的方法，其特征在于：获得所述第一电压值包括检测所述第一电压的一峰值并且保持所述第一电压的所述峰值。
19.一种不间断电源(ups)系统，其特征在于，所述ups系统包括：
一输入端，配置成用以接收输入电源；
一输出端，配置成用以向至少一个负载提供输出电源；
至少一个电容器，耦接至至少一个开关装置；以及
基于跨越所述至少一个电容器的一第一电压及跨越所述至少一个电容器的一第二电压，用于识别所述至少一个电容器中的一击穿状况的装置。
20.如权利要求19所述的ups系统，还包括用于操作所述至少一个开关装置以减轻所述击穿状况的装置。
技术总结