开关状态监控

技术领域

本公开涉及对电气/电子开关的状态的监控。

背景技术

有许多不同类型的电气/电子开关可用于不同的应用。这些包括，例如，机电开关，例如断路器和继电器，以及固态开关，例如晶体管(例如，双极晶体管、IGBT，FET等)、固态继电器和晶闸管。这些开关的可靠操作对于使用它们的电路的持续安全可靠的操作可能很重要。例如，断路器可以用在电力保护电路中，并且随着时间的过去它们的持续可靠操作对于保护电路的安全操作可能是重要的。同样，固态开关(例如IGBT或FET)可用于功率电路(例如功率转换电路或逆变器)，并且在功率电路的持续可靠和安全操作中可能很重要。

但是，开关的状态可能会随时间变化，这可能会影响其性能和可靠性。例如，在电力保护电路中，保护开关(例如继电器)通常是闭合的，并且在检测到故障情况时断开。随着时间的流逝，开关的状态可能会恶化，例如，开关机构可能会磨损，特别是当开关定期打开和关闭时。此外，可发生电触点腐蚀。这可会使开关更缓慢地改变状态(例如断开或闭合)，这会降低保护电路的有效性，甚至导致其完全失效。这也可导致开关的导通/闭合状态阻抗增加，从而导致开关中更大的损耗，自发热和潜在的火灾隐患。

在另一示例中，电转换电路中的开关通常是电路中的故障点。这可能是由于误操作或负载反冲(例如，在使用转换电路驱动交流电动机的情况下)而导致运行期间过电流/电压条件引起的。开关条件随时间恶化的另一个原因是开关在恶劣的环境条件下运行。随着时间的流逝，条件恶化会降低电气转换电路的精度(例如，可能会限制逆变器生成的AC信号的精度，这可能会导致下游设备/电路出现问题)，并最终导致开关故障，导致系统意外停机。

发明内容

本公开涉及通过监视开关的阻抗来随时间监视电气/电子开关的状态。开关的状况可随着它们老化而降低，这可降低其性能并最终导致故障。在许多应用中，特别是在高压应用中，开关的可靠操作可能非常重要，故障可能带来安全风险，并导致昂贵的计划外系统停机维修时间。已经认识到，随着开关状态的改变，它们的阻抗也会改变，因此监视阻抗可以很好地指示开关状态，从而可以及早发现潜在的故障/故障并采取先发制人的行动。

在本公开的第一方面，提供一种用于监视开关状态的系统，该系统包括：开关状态监视单元，配置为：确定所述开关的阻抗随时间的多个测量；和至少部分地基于所述阻抗的多个测量来监视开关的状态。

在所述开关处于导通状态时可确定所述阻抗的多个测量中的至少一些。

开关状态监视单元可被配置为通过将所述导电状态阻抗的多个测量结果中的至少一个与参考阻抗进行比较来监视所述开关的状态。

参考阻抗可基于所述开关的传导状态阻抗的至少一项较早的测量。

参考阻抗可基于所述开关的传导状态阻抗的两次或更多次较早测量的平均值。

开关状态监视单元还可被配置为：如果传导状态阻抗的多个测量中的至少一个和所述参考阻抗之间的差大于故障阈值，开关状态监视单元被配置为产生开关故障警报。

所述开关是高压开关，当所述开关处于非导通状态时其额定承受高压(即，电压超过开关状态监视器的安全工作电压)，并且其中开关状态监视单元通过以下方式确定所述开关的阻抗的多个测量：确定跨过所述开关的电压的多个测量以及通过所述开关的电流的对应的多个测量；和基于跨过所述开关的电压的多个测量以及通过所述开关的电流的对应的多个测量，确定所述开关的阻抗的多个测量。

系统还包括：用于耦合到所述开关的分压器单元，其中所述分压器单元被配置为产生电压测量信号，该信号在幅度上取决于但小于跨过所述开关的电压，其中所述开关状态监视单元耦合到所述分压器单元，并且被配置为至少部分地基于所述电压测量信号来确定跨过所述开关的电压的多个测量。

所述分压器单元包括：用于耦合到所述高压开关的分位器，其中该分压器包括两个阻抗元件，其中一个的阻抗大于另一个，其中所述电压测量信号指示跨过所述分位器的较小阻抗元件的电压。

分位器可以用于跨过开关并联耦合。

两个阻抗元件都可以是电阻，或者一个阻抗元件可以是电容器，另一个阻抗元件是电阻。

较大的阻抗元件可以具有比较小的阻抗元件大至少100倍的阻抗。较大的阻抗元件可以具有至少1MΩ的阻抗。

开关状态监视单元可进一步配置为至少部分地基于所述两个阻抗元件的阻抗比来确定跨过所述开关的电压的多个测量。

分压器单元可包括：用于耦合到所述高压开关的第一开关端子的第一对阻抗元件，所述第一对阻抗元件包括具有第一阻抗的第一阻抗元件和具有第二阻抗的第二阻抗元件，其中所述第一阻抗大于所述第二阻抗；和用于耦合到所述高压开关的第二开关端子的第二对阻抗元件，所述第二对阻抗元件包括具有第三阻抗的第三阻抗元件和具有第四阻抗的第四阻抗元件，其中所述第三阻抗大于所述第四阻抗。

电压测量信号可包括：指示相对于参考电压的跨过所述第二阻抗元件的电压的第一电压信号；和指示相对于参考电压的跨过所述第四阻抗元件的电压的第二电压信号。

可至少部分地基于所述第一电压信号和所述第二电压信号之间的差来确定跨过所述开关的电压的大小。

可进一步至少部分地基于所述第一阻抗和所述第二阻抗的比以及所述第三阻抗和所述第四阻抗的比来确定跨过所述高压开关的电压的大小。

分压器单元可包括：在第一耦合状态和第二耦合状态下可操作的多个斩波开关，其中当所述多个斩波开关处于所述第一耦合状态时它们被配置为：将所述第一阻抗元件耦合到所述第二阻抗元件以形成第一分位器；和将所述第三阻抗元件耦合到所述第四阻抗元件以形成第二分位器；和其中当所述多个斩波开关处于所述第二耦合状态时它们被配置为：将所述第一阻抗元件耦合到所述第四阻抗元件以形成第三分位器；和将所述第三阻抗元件耦合到所述第二阻抗元件以形成第四分位器。

确定跨过高压开关的电压的大小还可至少部分基于：当所述多个斩波开关处于第一耦合状态时的电压测量信号；和当所述多个斩波开关处于第二耦合状态时的电压测量信号。

所述第一对阻抗元件可形成第一固定分位器，并且所述第二对阻抗元件可形成第二固定分位器。

第一阻抗可以与第三阻抗基本相同，并且第二阻抗可以与第四阻抗基本相同。

该开关可以是机电开关，或者是IGBT，或者是FET。

在本公开的第二方面，提供了一种高压电路，包括：高压电源(即，提供的电压超过开关阻抗确定系统中使用的电压测量设备的安全工作电压的电源)；用于从所述高压电源接收功率的负载；高压开关，布置为在处于导通开关状态时将所述高压电源耦合到所述负载，并且在处于非导通开关状态时将所述高压电源与所述负载解耦；和任一前述权利要求的开关阻抗确定系统耦合到高压开关并被配置为监视所述高压开关的状态。

高压电路还可包括：电流测量装置，被配置为产生指示通过所述高压开关的电流的电流信号。

在本公开的第三方面，提供一种监视开关状态的方法，该方法包括：确定所述开关的阻抗随时间的多个测量；和至少部分地基于所述阻抗的多个测量来监视开关的状态。

附图说明

参考以下附图，仅以示例的方式描述了本公开的各方面，其中：

图1A和1B示出了示例电路，其示出了处于导通和非导通状态的高压开关两端的电压；

图2示出了根据本公开一方面的用于监视开关状态的示例系统；

图3示出了图2的系统的分压器单元的示例实施方式；

图4示出了图2的系统的分压器单元的另一示例实施方式。

图5示出了图2的系统的分压器单元的另一示例实施方式。

图6示出了用于监视电转换电路中的一个或多个开关的图2的系统的示例。

具体实施方式

发明人已经认识到，随着时间的流逝，开关的老化通常会导致开关的阻抗发生变化，例如，当开关处于导通(“接通”或“闭合”)状态时。例如，当开关是新的时，它应具有相对较低的传导状态阻抗。但是，随着其状态随时间降低，该阻抗可能会发生变化，最典型的是增加。通过随时间监视开关的阻抗，可以监视开关的状况。这样，可以观察到开关状态的变化，这使得可以在故障变得严重之前检测出开关中的潜在故障。然后可以在方便的时间先发制人地采取适当的措施，例如更换开关，从而改善开关操作所在的电路的长期安全可靠的运行，同时最大程度地减少用于维护和维修的系统。

监视高压开关的阻抗可能是一个特殊的挑战。高压开关是一种额定值高的开关(例如，被认为对人体不安全的电压，例如根据美国标准UL 508A超过42.4DC/30V RMS的电压)，它处于非导电(“断开”或“关闭”)状态时。这意味着，当开关处于非导通状态时，开关两端可能会有高电压。但是，当它处于导通状态(“闭合”或“接通”)时，开关应具有相对较低的阻抗，因此其两端的电压应相对较低。当开关处于导通状态时，可以通过测量开关两端的电压以及流经开关的电流来确定开关的传导状态阻抗。这可能需要电压测量系统(例如集成ADC，它是作为IC的一部分而形成的ADC)，能够以相对较高的精度测量相对较小的电压。通常，此类设备的额定值只能承受相对较小的电压(通常高达几伏或更低)。但是，如果将开关更改为非导通状态，则开关两端的电压会突然升高到高压，这很可能会损坏电压测量系统。

为了本公开的目的，“高”电压是超过用于测量开关两端的电压的电压测量系统的安全操作电压的电压。因此，高压开关是适合于耦合到“高”电压的开关，这样当该开关处于非导通状态时，其两端的电压将超过用于测量开关两端电压的电压测量设备的安全操作极限。

发明人已经通过使用分压器单元来耦合到高压开关来解决这个问题，其中分压器单元被配置为生成电压测量信号，该电压测量信号取决于高压开关两端的电压，但幅度小于高压开关两端的电压。然后，电压测量系统可以测量该降低的电压，然后得出开关两端实际电压的测量值。通过以这种方式对开关电压进行分压，可以将当开关处于非导通状态时由测量系统看到的电压保持在测量系统的安全范围内。尽管当开关处于导通状态时由测量系统看到的相对较小的电压也将减小到甚至更小电压，但是发明人已经认识到，其仍将处于许多电压测量系统的可精确测量的范围内。此外，分压器单元是无源单元，因为它不需要控制或电源即可为其工作，并且始终与开关耦合(与有源系统相反，有源系统可能需要控制和/或电源，并且可能涉及将测量系统选择性地耦合和去耦到开关，以便仅在特定时间测量电压)。通过使用无源分压器单元，系统可以在任何时间更直接地监视开关的导通状态阻抗，而无需复杂的控制，同时仍然能够承受由开关断开引起的开关电压突然、意外的升高(这对于保护/断路器电路特别有用)。因此，该系统可能更简单，实现和运行成本更低，并且随着时间的推移可能需要更少的功率来运行。

图1A和1B示出了示例性电路，其示出了处于导通和非导通状态的高压开关110两端的电压。开关110可以是任何类型的开关，例如“背景”部分中给出的任何示例。图1A示出了处于导通(“闭合”或“接通”状态)的开关110。电流I流过开关110和负载120，并且可以由电流传感器140(例如，分流器或电流互感器)测量。与处于导通状态的开关110的阻抗相比，负载R

图1B示出了处于不导通(“断开”或“断开”状态)的开关110。在这种状态下，开关110的阻抗非常高，使得流过开关到负载120的电流很小或为零。开关两端的电压占据了全部或几乎全部的电源电压V

图2示出了根据本公开的方面的用于监视开关110的状态的示例系统200。系统200包括用于耦合到开关110的分压器单元210。分压器单元210被配置为产生电压测量信号V

尽管可以根据对开关两端的电压和通过开关的电流的单个量度来确定开关110的阻抗，但是在替代方案中，可以对开关两端的电压和/或通过开关的电流进行两个或更多个量度。然后可以根据电压和/或电流的两个或更多个量度的平均值来确定开关110的阻抗。这对于测量开关两端的电压可能特别有用，因为当开关110处于导通状态时，V

将理解的是，基于电压和/或电流的测量的平均值来确定传导状态阻抗的测量类似于基于两个或更多个传导状态阻抗的临时测量值的平均值来确定传导状态阻抗的测量值，每个临时测量值都是基于电压和电流的单个测量值来确定的。

开关状态监控器220被配置为随着时间例如周期性地或间歇地重复该过程，以便确定开关110随时间的传导状态阻抗的多个测量。这些测量中的至少一些可以被存储在例如系统200中的存储器模块中(例如，可以存储多个测量中的所有测量，或者仅存储最近的n个测量)。然后，可以通过识别阻抗随时间的变化，基于多个阻抗测量来监视开关110的状态。例如，可以将多个测量中的至少一些(例如，阻抗的最新测量或阻抗的最新3或5次测量等)与参考阻抗进行比较。参考阻抗可以是指示开关110应具有的导通状态阻抗的固定量(例如，如在开关制造期间确定的，或根据开关制造商的数据表等)。备选地，开关状态监视器220可以被配置为基于开关110的传导状态阻抗的一个或更多个较早的测量来确定参考阻抗。例如，开关状态监控器220可以基于两个或更多个较早的阻抗测量来确定开关110的平均阻抗。然后可以将每个新的阻抗测量值与该平均值进行比较，以监视开关的状态。可选地，该平均值可以是移动平均值，使得每个新的阻抗测量值随后都可以用于修改平均值。可替代地，可以在开关110的寿命的早期确定平均值。

如果传导状态阻抗的测量值与参考阻抗之间的差大于故障阈值，则开关状态监控器220可以被配置为生成开关故障警报。开关故障警报可以是适合使潜在的开关故障引起适当的实体/当事方注意的任何东西。例如，它可以是警报消息，该警报消息通过任何适当的通信机制输出，以引起维护人员的注意，或者是管理开关110在其中运行的电路的其他电子/计算系统等。故障阈值可以是在系统220的制造/校准期间设置的固定量，使得如果开关110的阻抗变化超过绝对量，则检测到开关故障(例如，可以将其设置为任何电阻的绝对值，例如1Ω或3Ω或10Ω等)。替代地，它可以是阈值阻抗的百分比量(例如5％或10％等)，使得开关故障的检测相对于开关110的特定参考阻抗。可以考虑以下至少一项来设置故障阈值的性质和大小：开关110的类型；以及使用开关110的电路的类型和要求；电源电压的大小、系统200的要求等。

可选地，开关状态监视器220可以间歇地生成指示开关110的状态的开关状态报告。开关状态报告可以包括阻抗的测量值中的一些或全部和/或所确定的开关状态的指示(例如，“好”或“恶化”或“故障”等)。可以使用任何合适的通信机制将开关状态报告输出到可能对其有用的开关110的状态指示的任何实体/单元/个人。

因此，可以看出，开关状态监视单元220可以监视开关的状态，并基于传导状态阻抗来检测开关110的状态的变化。如果开关110开始降级，则可以检测到这种状态变化，并且可以在开关110开始在可接受的限制范围之外运行并发生故障之前采取措施来解决问题。

在该示例中，电源电压V

图3示出了分压器单元210的示例实施方式。为了简单起见，系统200和开关电路的其他细节未包括在图3中。分压器单元210包括具有两个阻抗元件R和r的分位器(例如，两个阻抗元件可以是电阻器)。与阻抗元件r相比，阻抗元件R具有相对较高的阻抗。在此示例中，V

与开关110的导通状态阻抗相比，阻抗元件R的尺寸可以相对较大(例如，R可以为千欧姆或兆欧姆的量级)，因此，当开关处于导通和非导通状态时，分压器单元210的电流消耗非常低。

开关状态监视单元220可以基于V

图4示出了分压器单元210的另一示例实施方式。在该配置中，分压器单元210生成V

相对于参考电压，第一电压信号将具有取决于但小于开关110的第一端子处的电压的幅度，并且第二电压信号的大小将取决于但小于开关110的第二端子上的电压相对于参考电压的大小。第一信号小于开关110的第一端子处的电压的量可取决于比率R

开关状态监视器220因此可以基于V

如前所述，然后可以基于开关110两端的电压的测量值和当开关110处于导通状态时通过开关的电流的相应测量值来确定开关110的传导状态阻抗。

可以将比率R

图5示出了分压器单元210的另一示例实施方式。该实施方式与图4的实施方式相似，但是包括多个斩波开关510，以在分压器单元210的阻抗元件之间进行斩波。使用任何合适的可控开关(例如，任何合适形式的晶体管)来实现，并且可以由任何合适的实体或模块来控制(例如，分压器单元210可以配置为控制开关的操作，或者开关状态监视器220可以控制开关的操作等)。可以使用控制信号

开关状态监视器220可基于当多个斩波开关510处于第一耦合状态时的V

仅作为示例，图6示出了可以与系统200一起使用的电转换电路700。电转换电路700是被配置为执行DC-AC转换，例如以驱动AC电动机的逆变器。电路700包括六个IGBT(尽管可以存在任何数量的任何其他合适类型的开关装置)，610

为了确定IGBT 610

为了确定IGBT 610

因此，可以看出，分压器单元210可以被配置为根据需要输出可以用于生成单端信号或差分信号的电压测量信号。尽管在电转换电路700的上下文中特别表示了这种益处，但是应当理解，它可以适用于许多其他类型的电路。

在系统200的所有不同实施方式中，系统200利用在正常操作期间处于其导通状态时流经开关110的负载或供应电流I的测量值，以及以及由负载或电源电流引起的跨开关110的相应电压V

技术人员将容易意识到，可以在不脱离本公开的范围的情况下对本公开的上述方面进行各种改变或修改。

例如，在电源不是高电压的情况下，当开关处于非导通状态时，开关110两端的电压可以在开关状态监视器220的设计极限内。在这种情况下，分压器单元210可以省略，并且可以将开关状态监视器220直接耦合到开关110，并且可以直接确定跨开关110的电压的量度。

尽管给出了分压器单元210的一些具体示例实施方式，但是应当理解，分压器单元210可以以任何合适的方式来实现，以使其能够产生电压测量信号V

在一些实施方式中，电压传感器222可以包括ADC，该ADC的输入直接耦合到分压器单元210，以便直接测量V

开关状态监视器220可以由软件、硬件或软件与硬件的组合来实现。例如，其功能可以在微控制器或处理器或任何其他合适的逻辑或电路内实现。备选地，其功能可以由包括计算机可读代码的软件来实现，该软件在一个或多个处理器上执行时，执行上述功能。该软件可以存储在任何合适的计算机可读介质上，例如非暂时性计算机可读介质，例如只读存储器、随机存取存储器、CD-ROM、DVD、蓝光、磁带、硬盘驱动器、固态驱动器和光盘驱动器。所述计算机可读介质可以分布在网络耦合的计算机系统上，从而以分布式方式存储和执行计算机可读指令。