本發(fā)明實(shí)施方式涉及電子技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及開關(guān)放大器、梯度放大器及估算開關(guān)放大器剩余壽命的方法。

背景技術(shù)：

開關(guān)放大器通常用于驅(qū)動(dòng)磁共振成像系統(tǒng)中的負(fù)載、航空系統(tǒng)中的負(fù)載、可再生能源系統(tǒng)中的負(fù)載或交通運(yùn)輸系統(tǒng)中的負(fù)載等等。開關(guān)放大器是上述這些系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件。

以開關(guān)放大器為梯度放大器作為舉例說明。若梯度放大器損壞，則磁共振成像系統(tǒng)無法成像；導(dǎo)致磁共振成像系統(tǒng)不能正常運(yùn)作，直到梯度放大器被修理或被替換。為確保磁共振成像系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，梯度放大器的可靠性鑒定和剩余壽命評(píng)估對(duì)磁共振成像系統(tǒng)是非常重要的。幾代梯度放大器的使用都證明功率裝置是梯度放大器中損壞可能性最高的部件，因此可通過評(píng)估功率裝置的剩余壽命來評(píng)估梯度放大器的剩余壽命。

傳統(tǒng)方法中評(píng)估梯度放大器的剩余壽命的方法是離線完成的。另外一些評(píng)估梯度放大器的剩余壽命的方法需要安裝傳感器(例如電流傳感器、電壓傳感器或溫度傳感器等)來測(cè)量溫度數(shù)據(jù)，其增加了硬件成本。另外一些評(píng)估梯度放大器的剩余壽命的方法是對(duì)別的醫(yī)院中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，這種方法是不準(zhǔn)確的。

因此，有必要提供一種解決方案以實(shí)時(shí)估算開關(guān)放大器(例如梯度放大器)的剩余壽命。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

現(xiàn)在歸納本發(fā)明實(shí)施方式的一個(gè)或多個(gè)方面以便于本發(fā)明實(shí)施方式的基本理解，其中該歸納并不是本發(fā)明實(shí)施方式的擴(kuò)展性縱覽，且并非旨在標(biāo)識(shí)本發(fā)明實(shí)施方式的某些要素，也并非旨在劃出其范圍。相反，該歸納的主要目的是在下文呈現(xiàn)更詳細(xì)的描述之前用簡(jiǎn)化形式呈現(xiàn)本發(fā)明實(shí)施方式的一些概念。

本發(fā)明實(shí)施方式的一個(gè)方面在于提供一種開關(guān)放大器，其包括：

用于給負(fù)載供電的功率裝置，該功率裝置由多個(gè)電子開關(guān)組成；以及

處理裝置，其用于：

至少部分根據(jù)每個(gè)電子開關(guān)的功率損耗產(chǎn)生該電子開關(guān)的結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)，其中每個(gè)電子開關(guān)的結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)用于評(píng)估該電子開關(guān)中接合導(dǎo)線的疲勞損傷情況；

根據(jù)每個(gè)電子開關(guān)的結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)計(jì)算該電子開關(guān)中接合導(dǎo)線的第一累積疲勞損傷值；

根據(jù)多個(gè)電子開關(guān)中接合導(dǎo)線的各自第一累積疲勞損傷值產(chǎn)生開關(guān)放大器的估算剩余壽命。

本發(fā)明實(shí)施方式的另一個(gè)方面在于提供一種估算開關(guān)放大器剩余壽命的方法，該開關(guān)放大器包括用于給負(fù)載供電的功率裝置，該功率裝置由多個(gè)電子開關(guān)組成；其特征在于：該方法包括：

至少部分根據(jù)每個(gè)電子開關(guān)的功率損耗產(chǎn)生該電子開關(guān)的結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)，其中每個(gè)電子開關(guān)的結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)用于評(píng)估該電子開關(guān)中接合導(dǎo)線的疲勞損傷情況；

根據(jù)每個(gè)電子開關(guān)的結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)計(jì)算該電子開關(guān)中接合導(dǎo)線的第一累積疲勞損傷值；

根據(jù)多個(gè)電子開關(guān)中接合導(dǎo)線的各自第一累積疲勞損傷值產(chǎn)生開關(guān)放大器的估算剩余壽命。

本發(fā)明實(shí)施方式的又一個(gè)方面在于提供一種梯度放大器，包括：

功率裝置，該功率裝置包括串聯(lián)連接在梯度線圈兩端的多個(gè)電橋電路，每個(gè)電橋電路包括多個(gè)電子開關(guān)；以及

處理裝置，其用于：

至少部分根據(jù)電子開關(guān)的功率損耗產(chǎn)生每個(gè)電子開關(guān)的結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)；其中，每個(gè)電子開關(guān)的結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)用于評(píng)估該電子開關(guān)中接合導(dǎo)線的疲勞損傷情況；

根據(jù)電子開關(guān)的結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)產(chǎn)生每個(gè)電子開關(guān)中接合導(dǎo)線的第一累積疲勞損傷值；以及

根據(jù)每個(gè)電橋電路的多個(gè)電子開關(guān)中接合導(dǎo)線的各自第一累積疲勞損傷值產(chǎn)生梯度放大器的估算剩余壽命。

本發(fā)明實(shí)施例提供的開關(guān)放大器及估算開關(guān)放大器剩余壽命的方法，可以實(shí)時(shí)地估算開關(guān)放大器的剩余壽命，提高了開關(guān)放大器的可靠性。

附圖說明

當(dāng)參照附圖閱讀以下詳細(xì)描述時(shí)，本發(fā)明實(shí)施方式的這些和其它特征、方面及優(yōu)點(diǎn)將變得更好理解，在附圖中，相同的元件標(biāo)號(hào)在全部附圖中用于表示相同的部件，其中：

圖1為一示范性實(shí)施例的開關(guān)放大器的電路圖。

圖2為一示范性實(shí)施例的igbt模塊的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3為一示范性實(shí)施例的絕緣柵雙極型晶體管的結(jié)構(gòu)圖。

圖4為一示范性實(shí)施例的控制器控制電橋電路運(yùn)行的示意圖。

圖5為一示范性實(shí)施例的處理裝置的功能模塊圖。

圖6為一示范性實(shí)施例的電子開關(guān)和散熱器的熱模型的示意圖。

圖7為一示范性實(shí)施例的二極管和散熱器的熱模型的示意圖。

圖8為一示范性實(shí)施例的電子開關(guān)、對(duì)應(yīng)的二極管和散熱器的熱模型的示意圖。

圖9為一示范性實(shí)施例的執(zhí)行雨流算法以估算開關(guān)放大器的剩余壽命的方法。

圖10為一個(gè)實(shí)施例示出的四個(gè)連續(xù)的谷值t1、峰值t2、谷值t3及峰值t4。

圖11為另一個(gè)實(shí)施例示出的四個(gè)連續(xù)的峰值t1、谷值t2、峰值t3及谷值t4。

具體實(shí)施方式

為幫助本領(lǐng)域的技術(shù)人員能夠確切地理解本發(fā)明實(shí)施方式所要求保護(hù)的主題，下面結(jié)合附圖詳細(xì)描述本發(fā)明的具體實(shí)施方式。在以下對(duì)這些具體實(shí)施方式的詳細(xì)描述中，本說明書對(duì)一些公知的功能或構(gòu)造不做詳細(xì)描述以避免不必要的細(xì)節(jié)而影響到本發(fā)明實(shí)施方式的披露。

除非另作定義，本權(quán)利要求書和說明書中所使用的技術(shù)術(shù)語或者科學(xué)術(shù)語應(yīng)當(dāng)為本發(fā)明實(shí)施方式所屬技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)具有一般技能的人士所理解的通常意義。本說明書以及權(quán)利要求書中所使用的“第一”、“第二”以及類似的詞語并不表示任何順序、數(shù)量或者重要性，而只是用來區(qū)分不同的組成部分。“一個(gè)”或者“一”等類似詞語并不表示數(shù)量限制，而是表示存在至少一個(gè)。“包括”或者“具有”等類似的詞語意指出現(xiàn)在“包括”或者“具有”前面的元件或者物件涵蓋出現(xiàn)在“包括”或者“具有”后面列舉的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。“連接”或者“相連”等類似的詞語并非限定于物理的或者機(jī)械的連接，而是可以包括電性的連接，不管是直接的還是間接的。

圖1為一示范性實(shí)施例的開關(guān)放大器100的電路圖。開關(guān)放大器100包括功率裝置102及處理裝置104。功率裝置102用于給負(fù)載200供電。功率裝置102由多個(gè)電子開關(guān)組成，處理裝置104用于控制功率裝置102中的多個(gè)電子開關(guān)的開通或關(guān)斷。在本實(shí)施例中，開關(guān)放大器100為磁共振成像(magneticresonanceimaging,mri)系統(tǒng)中的梯度放大器，負(fù)載200為磁共振成像系統(tǒng)中的梯度線圈。在其它實(shí)施例中，開關(guān)放大器100用于驅(qū)動(dòng)可再生能源系統(tǒng)、航空系統(tǒng)或交通運(yùn)輸系統(tǒng)等中的負(fù)載。

功率裝置102包括多個(gè)電橋電路bg1,bg2,...bgn，多個(gè)電橋電路bg1,bg2,...bgn串聯(lián)連接在負(fù)載200的兩端。多個(gè)電橋電路電壓u1,u2,...un被分別分配到多個(gè)電橋電路bg1,bg2,...bgn，使得開關(guān)放大器100產(chǎn)生輸出電壓uout，其中uout＝u1+u2+...un；輸出電壓uout用于給負(fù)載200供電。

在本實(shí)施例中，多個(gè)電橋電路bg1,bg2,...bgn中的每一者包括兩個(gè)橋臂電路lg1,lg2，該兩個(gè)橋臂電路lg1,lg2與電源單元4電性耦合。橋臂電路lg1包括兩個(gè)電子開關(guān)q1、q4、兩個(gè)二極管d1、d4及橋臂端，該兩個(gè)電子開關(guān)q1、q4串聯(lián)連接于電源單元4的正負(fù)極之間，橋臂端為兩個(gè)電子開關(guān)q1、q4之間的連接點(diǎn)。電子開關(guān)q1與二極管d1并聯(lián)連接，電子開關(guān)q4與二極管d4并聯(lián)連接。

橋臂電路lg2包括兩個(gè)電子開關(guān)q2、q3、兩個(gè)二極管d2、d3及橋臂端，該兩個(gè)電子開關(guān)q2、q3串聯(lián)連接于電源單元4的正負(fù)極之間，橋臂端為兩個(gè)電子開關(guān)q2、q3之間的連接點(diǎn)。電子開關(guān)q2與二極管d2并聯(lián)連接，電子開關(guān)q3與二極管d3并聯(lián)連接。

在其它實(shí)施例中，橋臂電路lg1包括串聯(lián)連接于電源單元4的正負(fù)極之間的兩個(gè)以上的電子開關(guān)，橋臂電路lg2包括串聯(lián)連接于電源單元4的正負(fù)極之間的兩個(gè)以上的電子開關(guān)。

對(duì)于多個(gè)電橋電路bg1,bg2,...bgn中的每一者，電子開關(guān)q1、q2、q3、q4可以是絕緣柵雙極型晶體管(insulatedgatebipolartransistor，igbt)、金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(metaloxidesemiconductorfield-effecttransistor,mosfet)、雙極結(jié)型晶體管(bipolarjunctiontransistor,bjt)或其它可控半導(dǎo)體裝置。

在本實(shí)施例中，多個(gè)電橋電路電壓u1,u2,...un中的每一者為對(duì)應(yīng)兩個(gè)橋臂電路lg1、lg2的兩個(gè)橋臂端之間的電壓。

以下部分僅描述電橋電路bg1、bg2、bgn的結(jié)構(gòu)及功能，其它電橋電路bg3至bgn-1的結(jié)構(gòu)及功能與bg1、bg2、bgn中的任意一者類似，在此不再贅述。以電橋電路bg1,bg2,bgn為例，電橋電路bg1的橋臂電路lg1的橋臂端標(biāo)示為l1，電橋電路bg1的橋臂電路lg2的橋臂端標(biāo)示為r1，電橋電路電壓u1可根據(jù)公式：u1＝vl1-vr1計(jì)算得到。其中，vl1和vr1分別是橋臂端l1和r1的電位。

電橋電路bg2的橋臂電路lg1的橋臂端標(biāo)示為l2，電橋電路bg2的橋臂電路lg2的橋臂端標(biāo)示為r2，電橋電路電壓u2可根據(jù)公式：u2＝vl2-vr2計(jì)算得到。其中，vl2和vr2分別是橋臂端l2和r2的電位。

電橋電路bgn的橋臂電路lg1的橋臂端標(biāo)示為ln，電橋電路bgn的橋臂電路lg2的橋臂端標(biāo)示為rn，電橋電路電壓un可根據(jù)公式：un＝vln-vrn計(jì)算得到。其中，vln和vrn分別是橋臂端ln和rn的電位。

處理裝置104還用于控制多個(gè)電子開關(guān)q1、q2、q3、q4的開通或關(guān)斷。

在一個(gè)實(shí)施例中，處理裝置104還用于至少部分根據(jù)每個(gè)電子開關(guān)q1、q2、q3或q4的功率損耗產(chǎn)生該電子開關(guān)的結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)；根據(jù)每個(gè)電子開關(guān)q1、q2、q3或q4的結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)計(jì)算該電子開關(guān)中接合導(dǎo)線的第一累積疲勞損傷值；并根據(jù)每個(gè)電橋電路bg1,bg2,...或bgn的多個(gè)電子開關(guān)q1、q2、q3及q4中接合導(dǎo)線的各自第一累積疲勞損傷值產(chǎn)生開關(guān)放大器100的估算剩余壽命。其中，每個(gè)電子開關(guān)q1、q2、q3或q4的結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)用于評(píng)估該電子開關(guān)中接合導(dǎo)線的疲勞損傷情況。

具體地，處理裝置104根據(jù)每個(gè)電子開關(guān)q1、q2、q3或q4的結(jié)溫的多個(gè)峰值和多個(gè)谷值計(jì)算該電子開關(guān)中接合導(dǎo)線的第一累積疲勞損傷值。

在另一個(gè)實(shí)施例中，處理裝置104還用于至少部分根據(jù)每個(gè)電子開關(guān)q1、q2、q3或q4的功率損耗和對(duì)應(yīng)二極管d1、d2、d3或d4的功率損耗的平均值產(chǎn)生該電子開關(guān)中焊接層的溫度數(shù)據(jù)；根據(jù)每個(gè)電子開關(guān)q1、q2、q3或q4中焊接層的溫度數(shù)據(jù)計(jì)算該電子開關(guān)中焊接層的累積疲勞損傷值；并根據(jù)每個(gè)電橋電路bg1,bg2,...或bgn的多個(gè)電子開關(guān)q1、q2、q3、q4中接合導(dǎo)線的各自第一累積疲勞損傷值和每個(gè)電橋電路bg1,bg2,...或bgn的多個(gè)電子開關(guān)q1、q2、q3、q4中焊接層的各自累積疲勞損傷值中的至少一者產(chǎn)生開關(guān)放大器100的估算剩余壽命。

具體地，處理裝置104根據(jù)每個(gè)電子開關(guān)q1、q2、q3或q4中焊接層的溫度的多個(gè)峰值和多個(gè)谷值計(jì)算該電子開關(guān)中焊接層的累積疲勞損傷值。

其中，開關(guān)放大器100的估算剩余壽命是根據(jù)每個(gè)電橋電路bg1,bg2,...或bgn的多個(gè)電子開關(guān)q1、q2、q3、q4中接合導(dǎo)線的各自第一累積疲勞損傷值和每個(gè)電橋電路bg1,bg2,...或bgn的多個(gè)電子開關(guān)q1、q2、q3、q4中焊接層的各自累積疲勞損傷值中的最大值來產(chǎn)生的。

在又一個(gè)實(shí)施例中，處理裝置104還用于至少部分根據(jù)每個(gè)二極管d1、d2、d3或d4的功率損耗產(chǎn)生該二極管的結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)(其中，每個(gè)二極管d1、d2、d3或d4的結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)用于評(píng)估對(duì)應(yīng)電子開關(guān)q1、q2、q3或q4中接合導(dǎo)線的疲勞損傷情況)；根據(jù)每個(gè)二極管d1、d2、d3或d4的結(jié)溫?cái)?shù)據(jù)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)電子開關(guān)q1、q2、q3或q4中接合導(dǎo)線的第二累積疲勞損傷值。

處理裝置104還用于根據(jù)每個(gè)電橋電路bg1,bg2,...或bgn的多個(gè)電子開關(guān)q1、q2、q3、q4中接合導(dǎo)線的各自第一累積疲勞損傷值、每個(gè)電橋電路bg1,bg2,...或bgn的多個(gè)電子開關(guān)q1、q2、q3、q4中接合導(dǎo)線的各自第二累積疲勞損傷值、以及每個(gè)電橋電路bg1,bg2,...或bgn的多個(gè)電子開關(guān)q1、q2、q3、q4中焊接層的各自累積疲勞損傷值中的至少一者產(chǎn)生開關(guān)放大器100的估算剩余壽命。

具體地，處理裝置104根據(jù)每個(gè)二極管d1、d2、d3或d4的結(jié)溫的多個(gè)峰值和多個(gè)谷值計(jì)算對(duì)應(yīng)電子開關(guān)q1、q2、q3或q4中接合導(dǎo)線的第二累積疲勞損傷值。

其中，開關(guān)放大器100的估算剩余壽命是根據(jù)每個(gè)電橋電路bg1,bg2,...或bgn的多個(gè)電子開關(guān)q1、q2、q3、q4中接合導(dǎo)線的各自第一累積疲勞損傷值、每個(gè)電橋電路bg1,bg2,...或bgn的多個(gè)電子開關(guān)q1、q2、q3、q4中接合導(dǎo)線的各自第二累積疲勞損傷值、以及每個(gè)電橋電路bg1,bg2,...或bgn的多個(gè)電子開關(guān)q1、q2、q3、q4中焊接層的各自累積疲勞損傷值中的最大值來產(chǎn)生的。

在本實(shí)施例中，開關(guān)放大器100的估算剩余壽命是實(shí)時(shí)產(chǎn)生的。

電子開關(guān)的結(jié)溫、二極管的結(jié)溫和電子開關(guān)中焊接層的溫度定義

圖2為一示范性實(shí)施例的igbt模塊900的結(jié)構(gòu)示意圖。igbt模塊900包括三個(gè)絕緣柵雙極型晶體管q9及三個(gè)二極管d9，三個(gè)絕緣柵雙極型晶體管q9分別與三個(gè)二極管d9并聯(lián)連接。三個(gè)絕緣柵雙極型晶體管q9的三個(gè)柵極分別通過三個(gè)接合導(dǎo)線912與銅排902電性連接。三個(gè)絕緣柵雙極型晶體管q9的三個(gè)發(fā)射極分別通過三個(gè)接合導(dǎo)線914與銅排904電性連接。三個(gè)絕緣柵雙極型晶體管q9的三個(gè)集電極分別通過三個(gè)接合導(dǎo)線916與銅排906電性連接。圖1所示的每個(gè)電子開關(guān)q1、q2、q3或q4可以是圖2中的絕緣柵雙極型晶體管q9；圖1所示的每個(gè)二極管d1、d2、d3或d4可以是圖2中的二極管d9。圖1所示的每個(gè)電子開關(guān)q1、q2、q3或q4中的接合導(dǎo)線可以是圖2中的接合導(dǎo)線912、接合導(dǎo)線914或接合導(dǎo)線916。每個(gè)電子開關(guān)q1、q2、q3或q4的結(jié)溫與接合導(dǎo)線912、接合導(dǎo)線914或接合導(dǎo)線916的疲勞損傷相關(guān)。每個(gè)二極管d1、d2、d3或d4的結(jié)溫也與接合導(dǎo)線912、接合導(dǎo)線914或接合導(dǎo)線916的疲勞損傷相關(guān)。

圖3為一示范性實(shí)施例的絕緣柵雙極型晶體管(igbt)90的結(jié)構(gòu)圖。絕緣柵雙極型晶體管90的結(jié)構(gòu)包括芯片92、芯片焊接層94、基板95、基板焊接層96及底板98。基板95可以由銅制成，底板98可以由氮化鋁陶瓷(aluminiumnitrideceramic)制成。在本實(shí)施例中，如圖1所示，每個(gè)電子開關(guān)q1、q2、q3或q4的焊接層的溫度可以是基板焊接層96的溫度。在其它實(shí)施例中，如圖1所示，每個(gè)電子開關(guān)q1、q2、q3或q4的焊接層的溫度可以是芯片焊接層94的溫度。

電子開關(guān)和二極管的功率損耗計(jì)算

圖4為一示范性實(shí)施例的控制器300控制電橋電路340運(yùn)行的示意圖。控制器300可以是圖1所示處理裝置的一部分。圖1所示的多個(gè)電橋電路bg1,bg2,...bgn中的每一者可以是電橋電路340。

控制器300用于產(chǎn)生第一占空比dl和第二占空比dr。控制器300包括驅(qū)動(dòng)器320、322。電子開關(guān)q1、q4與驅(qū)動(dòng)器320電連接，電子開關(guān)q2、q3與驅(qū)動(dòng)器322電連接。

驅(qū)動(dòng)器320用于接收第一占空比dl，并確保電子開關(guān)q1的占空比等于dl及電子開關(guān)q4的占空比等于1-dl。驅(qū)動(dòng)器322用于接收第二占空比dr，并確保電子開關(guān)q2的占空比等于dr及電子開關(guān)q3的占空比等于1-dr。二極管d1的占空比等于dl，二極管d4的占空比等于1-dl。二極管d2的占空比等于dr，二極管d3的占空比等于1-dr。dl是電子開關(guān)q1或二極管d1導(dǎo)通時(shí)的有效占空比。1-dl是電子開關(guān)q4或二極管d4導(dǎo)通時(shí)的有效占空比。dr是電子開關(guān)q2或二極管d2導(dǎo)通時(shí)的有效占空比。1-dr是電子開關(guān)q3或二極管d3導(dǎo)通時(shí)的有效占空比。

控制器300還包括前饋控制器310和占空比產(chǎn)生單元312。前饋控制器310用于根據(jù)參考電流指令ired_cmd產(chǎn)生前饋電壓指令。作為一個(gè)非限定的例子，前饋控制器310可以是比例放大器或者其它控制器。

占空比產(chǎn)生單元312用于根據(jù)前饋電壓指令產(chǎn)生第一占空比dl和第二占空比dr。第一占空比dl和第二占空比dr由下述公式(1.1)、(1.2)及(1.3)計(jì)算：

v+2×n×vce_drop＝4vdc×dc.....................(1.1)

dl＝0.5＋0.5×dc...............................(1.2)

dr＝0.5-0.5×dc................................(1.3)

其中v是前饋電壓指令，vdc是電源單元4提供的直流電壓，n是開關(guān)放大器100所包括的電橋電路的總數(shù)，vce_drop是電子開關(guān)q1、q2、q3或q4導(dǎo)通時(shí)的正向壓降(forwardvoltagedrop)。

如圖5所示，圖1所示的處理裝置104還包括功率損耗計(jì)算單元402、溫度計(jì)算單元404、雨流算法執(zhí)行單元406及剩余壽命估算單元408。

每個(gè)電子開關(guān)q1、q2、q3或q4的功率損耗由功率損耗計(jì)算單元402根據(jù)該電子開關(guān)的占空比、開關(guān)頻率指令fsw以及參考電流指令iref_cmd來計(jì)算。

每個(gè)二極管d1、d2、d3或d4的功率損耗由功率損耗計(jì)算單元402根據(jù)該二極管的占空比、開關(guān)頻率指令fsw以及參考電流指令iref_cmd來計(jì)算。

每個(gè)電子開關(guān)q1、q2、q3或q4的功率損耗包括導(dǎo)通損耗、開通損耗和關(guān)斷損耗。電子開關(guān)q1、q2、q3、q4的各自導(dǎo)通損耗pcon_q1、pcon_q2、pcon_q3、pcon_q4可由公式(2.1)計(jì)算：

pcon_q1＝vce_q1×i×dl；

pcon_q4＝vce_q4×i×(1-dl)；

pcon_q2＝vce_q2×i×dr；

pcon_q3＝vce_q3×i×(1-dr)；.....................(2.1)

其中，vce_q1是電子開關(guān)q1導(dǎo)通時(shí)的正向壓降，vce_q4是電子開關(guān)q4導(dǎo)通時(shí)的正向壓降；vce_q2是電子開關(guān)q2導(dǎo)通時(shí)的正向壓降，vce_q3是電子開關(guān)q3導(dǎo)通時(shí)的正向壓降；i是參考電流指令。

每個(gè)電子開關(guān)q1、q2、q3或q4的開通損耗pon_sw可由公式(2.2)計(jì)算：

pon_sw＝(a2×i²＋a1×i+a0)×fsw............(2.2)

其中，fsw是開關(guān)頻率指令，a2、a1、a0是常數(shù)。

每個(gè)電子開關(guān)q1、q2、q3或q4的關(guān)斷損耗poff_sw可由公式(2.3)計(jì)算：

poff_sw＝(b2×i²+b1×i+b0)×fsw............(2.3)

其中，b2、b1、b0是常數(shù)。

每個(gè)二極管d1、d2、d3或d4的功率損耗包括導(dǎo)通損耗和關(guān)斷損耗。每個(gè)二極管d1、d2、d3或d4的開通損耗很小，可以忽略不計(jì)。二極管d1、d2、d3、d4的各自導(dǎo)通損耗pcon_d1、pcon_d2、pcon_d3、pcon_d4可由公式(2.4)計(jì)算：

pcon_d1＝vf_d1×i×dl；

pcon_d4＝vf_d4×i×(1-dl)；

pcon_d2＝vf_d2×i×dr；

pcon_d3＝vf_d3×i×(1-dr)；.....................(2.4)

其中vf_d1是二極管d1導(dǎo)通時(shí)的正向壓降，vf_d4是二極管d4導(dǎo)通時(shí)的正向壓降；vf_2是二極管d2導(dǎo)通時(shí)的正向壓降，vf_d3是二極管d3導(dǎo)通時(shí)的正向壓降，i是參考電流指令。

每個(gè)二極管d1、d2、d3或d4的關(guān)斷損耗poff可由公式(2.5)計(jì)算：

poff_d＝(c2×i²+c1×i+c0)×fsw............(2.5)

其中，c2、c1、c0是常數(shù)。

因此，q1_loss＝pcon_q1+pon_sw+poff_sw＝vce_q1×i×dl+(a2×i²+a1×i+a0)×fsw+(b2×i²+b1×i+b0)×fsw；其中q1_loss是電子開關(guān)q1的功率損耗。

q2_loss＝pcon_q2+pon_sw+poff_sw＝vce_q2×i×dr+(a2×i²＋a1×i+a0)×fsw+(b2×i²＋b1×i+b0)×fsw；其中q2_loss是電子開關(guān)q2的功率損耗。

q3_loss＝pcon_q3+pon_sw+poff_sw＝vce_q3×i×(1-dr)+(a2×i²＋a1×i+a0)×fsw+(b2×i²＋b1×i+b0)×fsw；其中q3_loss是電子開關(guān)q3的功率損耗。

q4_loss＝pcon_q4+pon_sw+poff_sw＝vce_q4×i×(1-dl)+(a2×i²+a1×i+a0)×fsw+(b2×i²+b1×i+b0)×fsw；其中q4_loss是電子開關(guān)q4的功率損耗。

d1_loss＝pcon_d1+poff_d＝vf_d1×i×dl+(c2×i²+c1×i+c0)×fsw；其中d1_loss是二極管d1的功率損耗。

d2_loss＝pcon_d2+poff_d＝vf_d2×i×dr+(c2×i²+c1×i+c0)×fsw；其中d2_loss是二極管d2的功率損耗。

d3_loss＝pcon_d3+poff_d＝vf_d3×i×(1-dr)+(c2×i²+c1×i+c0×fsw；其中d3_loss是二極管d3的功率損耗。

d4_loss＝pcon_d4+poff_d＝vf_d4×i×(1-dl)+(c2×i²+c1×i+c0×fsw；其中d4_loss是二極管d4的功率損耗。

電子開關(guān)的結(jié)溫、二極管的結(jié)溫和電子開關(guān)中焊接層的溫度計(jì)算

電子開關(guān)的結(jié)溫tj_q1,tj_q2,tj_q3,tj_q4由溫度計(jì)算單元404分別根據(jù)電子開關(guān)q1、q2、q3、q4的功率損耗q1_loss,q2_loss,q3_loss,q4_loss計(jì)算得到。

二極管的結(jié)溫tj_d1,tj_d2,tj_d3,tj_d4由溫度計(jì)算單元404分別根據(jù)二極管d1、d2、d3、d4的功率損耗d1_loss,d2_loss,d3_loss,d4_loss計(jì)算得到。

焊接層的溫度tc_q1,tc_q2,tc_q3,tc_q4是由溫度計(jì)算單元404分別根據(jù)電子開關(guān)q1、q2、q3、q4的功率損耗q1_loss,q2_loss,q3_loss,q4_loss和二極管d1、d2、d3、d4的功率損耗d1_loss,d2_loss,d3_loss,d4_loss的平均值計(jì)算得到。

電子開關(guān)q1、q2、q3及q4通過導(dǎo)熱硅脂(未圖示)與散熱器(未圖示)熱耦合。

溫度計(jì)算單元404用于利用每個(gè)電子開關(guān)q1、q2、q3或q4和散熱器的熱模型(thermalmodel)來計(jì)算該電子開關(guān)的結(jié)溫。

每個(gè)電子開關(guān)q1、q2、q3或q4和散熱器的熱模型(thermalmodel)如圖6所示，該熱模型對(duì)每個(gè)電橋電路bg1,bg2,...或bgn的多個(gè)電子開關(guān)q1、q2、q3、q4的熱傳送和熱產(chǎn)生進(jìn)行建模。

對(duì)于每個(gè)電子開關(guān)q1、q2、q3或q4，psw_loss為電耦合至該熱模型輸入端的電流源，其代表該電子開關(guān)的功率損耗。

對(duì)于每個(gè)電子開關(guān)q1、q2、q3或q4，ta為電耦合至該熱模型輸出端的電壓源，其代表環(huán)境溫度。rgrs代表導(dǎo)熱硅脂的熱阻。rhs代表散熱器的熱阻。

如圖3所示，r1代表芯片92和芯片焊接層94之間的熱阻。c1代表芯片92和芯片焊接層94之間的熱容。r2代表芯片焊接層94和基板95之間的熱阻。c2代表芯片焊接層94和基板95之間的熱容。r3代表基板95和基板焊接層96之間的熱阻，c3代表基板95和基板焊接層96之間的熱容。r4代表基板焊接層96和底板98之間的熱阻，c4代表基板焊接層96和底板98之間的熱容。

tj_sw是r1和c1連接處的電壓，tj_sw代表電子開關(guān)q1、q2、q3或q4的結(jié)溫。

對(duì)于電子開關(guān)q1和散熱器的熱模型，psw_loss為電子開關(guān)q1的功率損耗q1_loss。電子開關(guān)q1和散熱器的熱模型被輸入matlab中，電子開關(guān)q1的結(jié)溫tj_q1由matlab計(jì)算得到。tj_sw為電子開關(guān)q1的結(jié)溫tj_q1。

對(duì)于電子開關(guān)q2和散熱器的熱模型，psw_loss為電子開關(guān)q2的功率損耗q2_loss。電子開關(guān)q2和散熱器的熱模型被輸入matlab中，電子開關(guān)q2的結(jié)溫tj_q2由matlab計(jì)算得到。tj_sw為電子開關(guān)q2的結(jié)溫tj_q2。

對(duì)于電子開關(guān)q3和散熱器的熱模型，psw_loss為電子開關(guān)q3的功率損耗q3_loss。電子開關(guān)q3和散熱器的熱模型被輸入matlab中，電子開關(guān)q3的結(jié)溫tj_q3由matlab計(jì)算得到。tj_sw為電子開關(guān)q3的結(jié)溫tj_q3。

對(duì)于電子開關(guān)q4和散熱器的熱模型，psw_loss為電子開關(guān)q4的功率損耗q4_loss。電子開關(guān)q4和散熱器的熱模型被輸入matlab中，電子開關(guān)q4的結(jié)溫tj_q4由matlab計(jì)算得到。tj_sw為電子開關(guān)q4的結(jié)溫tj_q4。

溫度計(jì)算單元404還用于利用每個(gè)二極管d1、d2、d3或d4和散熱器的熱模型來計(jì)算該二極管的結(jié)溫。

每個(gè)二極管d1、d2、d3或d4和散熱器的熱模型如圖7所示。與圖6類似，pd_loss為電耦合至該熱模型輸入端的電流源，其代表二極管d1、d2、d3或d4的功率損耗。tj_d是r1和c1連接處的電壓，tj_d代表二極管d1、d2、d3或d4的結(jié)溫。

對(duì)于二極管d1和散熱器的熱模型，pd_loss為二極管d1的功率損耗d1_loss。二極管d1和散熱器的熱模型被輸入matlab中，二極管d1的結(jié)溫tj_d1由matlab計(jì)算得到。tj_d為二極管d1的結(jié)溫tj_d1。

對(duì)于二極管d2和散熱器的熱模型，pd_loss為二極管d2的功率損耗d2_loss。二極管d2和散熱器的熱模型被輸入matlab中，二極管d2的結(jié)溫tj_d2由matlab計(jì)算得到。tj_d為二極管d2的結(jié)溫tj_d2。

對(duì)于二極管d3和散熱器的熱模型，pd_loss為二極管d3的功率損耗d3_loss。二極管d3和散熱器的熱模型被輸入matlab中，二極管d3的結(jié)溫tj_d3由matlab計(jì)算得到。tj_d為二極管d3的結(jié)溫tj_d3。

對(duì)于二極管d4和散熱器的熱模型，pd_loss為二極管d4的功率損耗d4_loss。二極管d4和散熱器的熱模型被輸入matlab中，二極管d4的結(jié)溫tj_d4由matlab計(jì)算得到。tj_d為二極管d4的結(jié)溫tj_d4。

具體地，溫度計(jì)算單元404還可以利用每個(gè)電子開關(guān)q1、q2、q3或q4、對(duì)應(yīng)的二極管d1、d2、d3或d4以及散熱器的熱模型(如圖8所示)計(jì)算該電子開關(guān)中焊接層的溫度。

計(jì)算電子開關(guān)q1中焊接層的溫度tc_q1和電子開關(guān)q4中焊接層的溫度tc_q4時(shí)，pavg_top是電耦合至該熱模型輸入端的電流源，其代表電子開關(guān)q1的功率損耗q1_loss和對(duì)應(yīng)二極管的功率損耗d1_loss的平均值。pavg_bot是電耦合至該熱模型輸入端的電流源，其代表電子開關(guān)q4的功率損耗q1_loss和對(duì)應(yīng)二極管的功率損耗d4_loss的平均值。tc_top是電流源pavg_top和熱阻rgrs之間連接處的電壓。tc_bot是電流源pavg_bot和熱阻rgrs之間連接處的電壓。因此，電子開關(guān)q1中焊接層的溫度tc_q1等于tc_top。電子開關(guān)q4中焊接層的溫度tc_q4等于tc_bot。

tc_top和tc_bot可以由下述公式(3.1)計(jì)算:

其中，r_hs_tot是散熱器的熱阻，r_grs是導(dǎo)熱硅脂的熱阻。

計(jì)算電子開關(guān)q2中焊接層的溫度tc_q2和電子開關(guān)q3中焊接層的溫度tc_q3時(shí)，pavg_top是電耦合至該熱模型輸入端的電流源，其代表電子開關(guān)q2的功率損耗q2_loss和對(duì)應(yīng)二極管的功率損耗d2_loss的平均值。pavg_bot是電耦合至該熱模型輸入端的電流源，其代表電子開關(guān)q3的功率損耗q3_loss和對(duì)應(yīng)二極管的功率損耗d3_loss的平均值。tc_top是電流源pavg_top和熱阻rgrs之間連接處的電壓。tc_bot是電流源pavg_bot和熱阻rgrs之間連接處的電壓。因此，電子開關(guān)q2中焊接層的溫度tc_q2等于tc_top。電子開關(guān)q3中焊接層的溫度tc_q3等于tc_bot。

使用雨流算法產(chǎn)生開關(guān)放大器的估算剩余壽命

圖9為一示范性實(shí)施例的執(zhí)行雨流算法以估算開關(guān)放大器100的剩余壽命的方法700。該方法700在雨流算法執(zhí)行單元406中執(zhí)行，該方法700包括下述步驟：

步驟701：處理裝置10獲取每個(gè)開關(guān)單元的結(jié)溫tj_q1,tj_q2,tj_q3或tj_q4，或者每個(gè)二極管的結(jié)溫tj_d1,tj_d2,tj_d3或tj_d4，或者每個(gè)開關(guān)單元中焊接層的溫度tc_q1,tc_q2,tc_q3或tc_q4的多個(gè)峰值和多個(gè)谷值。

步驟703：處理裝置10將每個(gè)開關(guān)單元的結(jié)溫、每個(gè)二極管的結(jié)溫或者每個(gè)開關(guān)單元中焊接層的溫度的多個(gè)峰值和多個(gè)谷值存儲(chǔ)于緩沖器中。

步驟705：處理裝置10判斷緩沖器中是否有足夠數(shù)據(jù)來形成至少四個(gè)連續(xù)的谷值t1、峰值t2、谷值t3和峰值t4(如圖10所示)或者形成至少四個(gè)連續(xù)的峰值t1、谷值t2、峰值t3和谷值t4(如圖11所示)。若是，則流程執(zhí)行步驟707。若否，則流程返回執(zhí)行步驟701。

步驟707：處理裝置10判斷δt1、δt2和δt3是否符合下述預(yù)定數(shù)學(xué)關(guān)系(9.1)，其中δt1、δt2和δt3分別代表t1至t2、t2至t3以及t3至t4的溫度區(qū)間。若是，則流程執(zhí)行步驟709。若否，則流程執(zhí)行步驟713。

δt1≥δt2≤δt3(9.1)

步驟709：處理裝置10確定循環(huán)次數(shù)ni(δt)等于1以及對(duì)應(yīng)的溫度差異δt等于δt2。執(zhí)行完步驟709后，流程執(zhí)行步驟711。

步驟711：處理裝置10從緩沖器中刪除t2和t3。執(zhí)行步驟711后，流程返回執(zhí)行步驟705。

步驟713：處理裝置10判斷緩沖器是否已滿。若是，則流程執(zhí)行步驟717。若否，則流程執(zhí)行步驟715。

步驟715：處理裝置10確定循環(huán)次數(shù)ni(δt)等于零。執(zhí)行步驟715后，流程返回執(zhí)行步驟705。

步驟717：處理裝置10確定循環(huán)次數(shù)ni(δt)等于0.5以及對(duì)應(yīng)的溫度差異δt等于δt1。執(zhí)行步驟717后，流程執(zhí)行步驟719。

步驟719：處理裝置10從緩沖器中刪除t1。執(zhí)行步驟719后，流程返回執(zhí)行步驟705。

針對(duì)電子開關(guān)q1，循環(huán)次數(shù)ni(δt)_q1和對(duì)應(yīng)的溫度差異δt_q1可由雨流算法執(zhí)行單元406根據(jù)電子開關(guān)q1的結(jié)溫tj_q1的多個(gè)峰值和多個(gè)谷值計(jì)算得出。

針對(duì)電子開關(guān)q2，循環(huán)次數(shù)ni(δt)_q2和對(duì)應(yīng)的溫度差異δt_q2可由雨流算法執(zhí)行單元406根據(jù)電子開關(guān)q2的結(jié)溫tj_q2的多個(gè)峰值和多個(gè)谷值計(jì)算得出。

針對(duì)電子開關(guān)q3，循環(huán)次數(shù)ni(δt)_q3和對(duì)應(yīng)的溫度差異δt_q3可由雨流算法執(zhí)行單元406根據(jù)電子開關(guān)q3的結(jié)溫tj_q3的多個(gè)峰值和多個(gè)谷值計(jì)算得出。

針對(duì)電子開關(guān)q4，循環(huán)次數(shù)ni(δt)_q4和對(duì)應(yīng)的溫度差異δt_q4可由雨流算法執(zhí)行單元406根據(jù)電子開關(guān)q4的結(jié)溫tj_q4的多個(gè)峰值和多個(gè)谷值計(jì)算得出。

針對(duì)二極管d1，循環(huán)次數(shù)ni(δt)_d1和對(duì)應(yīng)的溫度差異δt_d1可由雨流算法執(zhí)行單元406根據(jù)二極管d1的結(jié)溫tj_d1的多個(gè)峰值和多個(gè)谷值計(jì)算得出。

針對(duì)二極管d2，循環(huán)次數(shù)ni(δt)_d2和對(duì)應(yīng)的溫度差異δt_d2可由雨流算法執(zhí)行單元406根據(jù)二極管d2的結(jié)溫tj_d2的多個(gè)峰值和多個(gè)谷值計(jì)算得出。

針對(duì)二極管d3，循環(huán)次數(shù)ni(δt)_d3和對(duì)應(yīng)的溫度差異δt_d3可由雨流算法執(zhí)行單元406根據(jù)二極管d3的結(jié)溫tj_d3的多個(gè)峰值和多個(gè)谷值計(jì)算得出。

針對(duì)二極管d4，循環(huán)次數(shù)ni(δt)_d4和對(duì)應(yīng)的溫度差異δt_d4可由雨流算法執(zhí)行單元406根據(jù)二極管d4的結(jié)溫tj_d4的多個(gè)峰值和多個(gè)谷值計(jì)算得出。

針對(duì)電子開關(guān)q1和二極管d1，循環(huán)次數(shù)ni(δt)_q1’和對(duì)應(yīng)的溫度差異δt_q1’可由雨流算法執(zhí)行單元406根據(jù)電子開關(guān)q1中焊接層的溫度tc_q1的多個(gè)峰值和多個(gè)谷值計(jì)算得出。

針對(duì)電子開關(guān)q2和二極管d2，循環(huán)次數(shù)ni(δt)_q2’和對(duì)應(yīng)的溫度差異δt_q2’可由雨流算法執(zhí)行單元406根據(jù)電子開關(guān)q2中焊接層的溫度tc_q2的多個(gè)峰值和多個(gè)谷值計(jì)算得出。

針對(duì)電子開關(guān)q3和二極管d3，循環(huán)次數(shù)ni(δt)_q3’和對(duì)應(yīng)的溫度差異δt_q3’可由雨流算法執(zhí)行單元406根據(jù)電子開關(guān)q3中焊接層的溫度tc_q3的多個(gè)峰值和多個(gè)谷值計(jì)算得出。

針對(duì)電子開關(guān)q4和二極管d4，循環(huán)次數(shù)ni(δt)_q4’和對(duì)應(yīng)的溫度差異δt_q4’可由雨流算法執(zhí)行單元406根據(jù)電子開關(guān)q4中焊接層的溫度tc_q4的多個(gè)峰值和多個(gè)谷值計(jì)算得出。

如圖5所示，剩余壽命估算單元408通過下述公式(9.2)計(jì)算每個(gè)電子開關(guān)q1、q2、q3或q4中接合導(dǎo)線的第一累積疲勞損傷值lc，以及每個(gè)電子開關(guān)q1、q2、q3或q4中接合導(dǎo)線的第二累積疲勞損傷值lc，以及每個(gè)電子開關(guān)q1、q2、q3或q4中焊接層的累積疲勞損傷值lc。

其中，nfi(δt)是δt的預(yù)定函數(shù)。

具體地，根據(jù)上述公式(9.2)，其中l(wèi)c_q1是根據(jù)電子開關(guān)q1的結(jié)溫計(jì)算出的電子開關(guān)q1中接合導(dǎo)線的第一累積疲勞損傷值。其中l(wèi)c_q2是根據(jù)電子開關(guān)q2的結(jié)溫計(jì)算出的電子開關(guān)q2中接合導(dǎo)線的第一累積疲勞損傷值。其中l(wèi)c_q3是根據(jù)電子開關(guān)q3的結(jié)溫計(jì)算出的電子開關(guān)q3中接合導(dǎo)線的第一累積疲勞損傷值。其中l(wèi)c_q4是根據(jù)電子開關(guān)q4的結(jié)溫計(jì)算出的電子開關(guān)q4中接合導(dǎo)線的第一累積疲勞損傷值。

其中，lc_d1是根據(jù)二極管d1的結(jié)溫計(jì)算出的對(duì)應(yīng)電子開關(guān)q1中接合導(dǎo)線的第二累積疲勞損傷值。其中，lc_d2是根據(jù)二極管d2的結(jié)溫計(jì)算出的對(duì)應(yīng)電子開關(guān)q2中接合導(dǎo)線的第二累積疲勞損傷值。其中，lc_d3是根據(jù)二極管d3的結(jié)溫計(jì)算出的對(duì)應(yīng)電子開關(guān)q3中接合導(dǎo)線的第二累積疲勞損傷值。lc_d4是根據(jù)二極管d4的結(jié)溫計(jì)算出的對(duì)應(yīng)電子開關(guān)q4中接合導(dǎo)線的第二累積疲勞損傷值。

其中，lc_q1’是根據(jù)電子開關(guān)q1中焊接層的溫度計(jì)算出的電子開關(guān)q1中焊接層的累積疲勞損傷值。其中，lc_q2’是根據(jù)電子開關(guān)q2中焊接層的溫度計(jì)算出的電子開關(guān)q2中焊接層的累積疲勞損傷值。其中，lc_q3’是根據(jù)電子開關(guān)q3中焊接層的溫度計(jì)算出的電子開關(guān)q3中焊接層的累積疲勞損傷值。其中，lc_q4’是根據(jù)電子開關(guān)q4中焊接層的溫度計(jì)算出的電子開關(guān)q4中焊接層的累積疲勞損傷值。

在一個(gè)較佳實(shí)施例中，剩余壽命估算單元408用于根據(jù)每個(gè)電橋電路bg1,bg2,...或bgn的多個(gè)電子開關(guān)q1、q2、q3、q4中接合導(dǎo)線的各自第一累積疲勞損傷值lc_q1,lc_q2,lc_q3,lc_q4產(chǎn)生開關(guān)放大器100的估算剩余壽命。

在另一個(gè)較佳實(shí)施例中，剩余壽命估算單元408還用于根據(jù)每個(gè)電橋電路bg1,bg2,...或bgn的多個(gè)電子開關(guān)q1、q2、q3、q4中接合導(dǎo)線的各自第一累積疲勞損傷值lc_q1,lc_q2,lc_q3,lc_q4以及每個(gè)電橋電路bg1,bg2,...或bgn的多個(gè)電子開關(guān)q1、q2、q3、q4中焊接層的各自累積疲勞損傷值lc_q1’,lc_q2’,lc_q3’,lc_q4’中的至少一者產(chǎn)生開關(guān)放大器100的估算剩余壽命。

在又一個(gè)較佳實(shí)施例中，剩余壽命估算單元408還用于根據(jù)每個(gè)電橋電路bg1,bg2,...或bgn的多個(gè)電子開關(guān)q1、q2、q3、q4中接合導(dǎo)線的各自第一累積疲勞損傷值lc_q1,lc_q2,lc_q3,lc_q4，每個(gè)電橋電路bg1,bg2,...或bgn的多個(gè)電子開關(guān)q1、q2、q3、q4中接合導(dǎo)線的各自第二累積疲勞損傷值lc_d1,lc_d2,lc_d3,lc_d4，以及每個(gè)電橋電路bg1,bg2,...或bgn的多個(gè)電子開關(guān)q1、q2、q3、q4中焊接層的各自累積疲勞損傷值lc_q1’,lc_q2’,lc_q3’,lc_q4’中的至少一者產(chǎn)生開關(guān)放大器100的估算剩余壽命。

雖然結(jié)合特定的具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式進(jìn)行了詳細(xì)說明，但本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解，對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式可以作出許多修改和變型。因此，要認(rèn)識(shí)到，權(quán)利要求書的意圖在于覆蓋在本發(fā)明實(shí)施方式真正構(gòu)思和范圍內(nèi)的所有這些修改和變型。