CN107121611A - 监测DCMBoostPFC变换器输出电容失效的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种监测DCM Boost PFC变换器输出电容失效的方法。该方法利用的电路主要包括在Boost PFC变换器主功率电路内设置功率计算单元、采样单元、电压监测单元、ESR和C计算单元。由采样得到直流母线电压v B 的瞬时值，和直流母线平均电压V B ，功率计算得到输出功率P o 的值，将上述值送入ESR和C计算单元，得到DCM Boost PFC变换器输出电容特征参数ESR和C的值，与电容初始值比较，从而判断电容是否失效。本发明简化了监测电容方法，实现了实时监测，不需要停机监测。
Description
技术领域
本发明属于电能变换装置中的监测技术领域，特别是一种监测DCM Boost PFC变换器输出电容失效的方法。
背景技术
一般而言，直流电是为大多数电子设备运行所需，而多数情况下，能直接获取的是正弦交流电，在国内一般为220V/50Hz。因此，为满足设备的工作条件，需要将交流电转化为直流电。电容器被广泛地应用于功率变换器的直流线路上，以达到能量存储、整流滤波和旁路解耦等作用，如LED照明，电机驱动，开关电源(Switching Mode Power Supply，SMPS)和光伏逆变(Photovoltaic Inverter)等。铝电解电容器因其具有大容量、高耐压、高能量密度和高性价比等优点，在众多电力电子设备中得到了极为广泛的应用，是电力电子系统中不可缺少的重要组成部件。然而根据相关的应用情况统计表明，铝电解电容是电力电子系统中最易失效的元器件，其失效率占到所有易失效器件总数的60％，极易造成整个系统的故障或损坏，被称为电力电子系统中的关键元器件。一般而言，同样温度条件下，当电解电容的容值减小为初始值的80％，或ESR增大为初始值的2-3倍时，即可认为该电容已失效。铝电解电容的性能和指标直接影响着整个变换系统的可靠性和稳定性，因此对铝电解电容进行失效分析和故障预测就具有十分重要的工程意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种监测DCM Boost PFC变换器输出电容失效的方法，能够监测输出电容ESR和C的变化，对电解电容进行失效分析和故障预测
实现本发明目的的技术解决方案为：一种监测DCM Boost PFC变换器输出电容失效的方法，包括以下步骤：
步骤一：在DCM Boost PFC变换器主功率电路基础上设置功率计算单元、采样单元、电压监测单元、ESR和C计算单元。Boost PFC变换器主功率电路整流后得到输入电压vg、输入电流iL，电压监测单元监测得到直流母线电压vB；
步骤二：根据直流母线电压计算公式以及电压监测单元得到的直流母线电压vB，计算出直流母线平均电压VB；
步骤三：计算采样单元需要的采样时刻，即功率平衡点时刻tb
其中ω为输入交流电压的角频率，Vm为输入交流电压的幅值，Vo为输出电压的幅值。
步骤四：在采样信号点0时刻与功率平衡点时刻tb，采样电压监测单监测的直流母线电压vB，分别得到直流母线电压在0时刻和功率平衡点时刻的瞬时值vB(0)和vB(tb)；
步骤五：根据DC/DC变换器单元的输出电流Io和输出电压Vo，送入功率计算单元得到输出功率Po；
步骤六：将输出功率Po、直流母线平均电压VB、以及直流母线电压在0时刻和功率平衡点时刻的瞬时值vB(0)和vB(tb)送入ESR和C计算单元，分别可获ESR和C的值；
步骤七：将步骤六得出的ESR和C的值与电容初始值比较，若C值低于或等于初始值的80％，或ESR大于或等于初始值的2倍时，即可认为该电容已失效。
步骤二中所述的直流母线平均电压等效为
VB≈vC(0)
其中vC(0)为0时刻C上的电压。
步骤六所述的ESR和C计算单元的公式如下：
其中ESR为Boost PFC变换器输出电容的等效串联电阻的阻值，C为电容量的值。
所述ESR和C计算单元使用DSP或单片机实现。
本发明与现有技术相比，其显著优点在于：1)通过监测特征参数ESR和C来判断DCMBoost PFC变换器输出电容是否失效，简化了监测电容方法；(2)通过采样直流母线电压瞬时值来计算ESR和C，实现了实时监测，不需要停机监测；(3)通过ESR和C的计算值与电容初始值比较，若C值减小到初始值的80％，或ESR增大到初始值的2-3倍时，判断电容已失效。
附图说明
图1是Boost PFC变换器一个开关周期内开关管驱动信号vgs和iL的波形图。
图2是本发明DCM Boost PFC变换器输出电容ESR和C的监测方法示意图，
其中：vgs为开关管Qb的驱动信号，iLb-pk为电感电流峰值，vin为输入交流电压，vg为整流后的输入电压，iL为电感电流，iC为电容电流，RL为负载。
具体实施方式
本发明设计了一种监测DCM Boost PFC变换器输出电容失效的方法。
1、理论推导
如图2所示电路，假设交流输入电压为正弦，其表达式为：
vin(t)＝Vm sinωt (1)其中，Vm为输入交流电压的幅值，ω为交流电压角频率。
那么一个开关周期内，如图1所示，输入电压经整流以后的电压为：
vg(t)＝Vm|sinωt| (2)
输入电流iin(t)为：
输入功率为：
直流母线电容上的功率为瞬时输入功率与输出功率之差，即为输出电容上的功率：
由电容储能公式可得C中存储的能量为：
C上的瞬时电压为：
C的瞬时电流为：
ESR上的瞬时电压为：
Boost PFC变换器直流母线电压为C与ESR的电压之和为，即：
直流母线电容的平均电压VB为：
在ωt＝0时刻，可得:
在tb时刻，
2、基于本发明一种监测DCM Boost PFC变换器输出电容失效的方法，包括以下步骤：
步骤一：在DCM Boost PFC变换器主功率电路基础上设置功率计算单元、采样单元、电压监测单元、ESR和C计算单元。Boost PFC变换器主功率电路整流后得到输入电压vg、输入电流iL，电压监测单元监测得到直流母线电压vB；
步骤二：根据直流母线电压计算公式以及电压监测单元得到的直流母线电压vB，计算出直流母线平均电压VB；
步骤三：计算采样单元需要的采样时刻，即功率平衡点时刻tb
其中ω为输入交流电压的角频率，Vm为输入交流电压的幅值，Vo为输出电压的幅值。
步骤四：在采样信号点0时刻与功率平衡点时刻tb，采样电压监测单监测的直流母线电压vB，分别得到直流母线电压在0时刻和功率平衡点时刻的瞬时值vB(0)和vB(tb)；
步骤五：根据DC/DC变换器单元的输出电流Io和输出电压Vo，送入功率计算单元得到输出功率Po；
步骤六：将输出功率Po、直流母线平均电压VB、以及直流母线电压在0时刻和功率平衡点时刻的瞬时值vB(0)和vB(tb)送入ESR和C计算单元，分别可获ESR和C的值；
步骤七：将步骤六得出的ESR和C的值与电容初始值比较，若C值低于或等于初始值的80％，或ESR大于或等于初始值的2倍时，即可认为该电容已失效。
Claims (4)
1.一种监测DCM Boost PFC变换器输出电容失效的方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤一：在DCM Boost PFC变换器主功率电路基础上设置功率计算单元、采样单元、电压监测单元、ESR和C计算单元；Boost PFC变换器主功率电路整流后得到输入电压vg、输入电流iL，电压监测单元监测得到直流母线电压vB；
步骤二：根据直流母线电压计算公式以及电压监测单元得到的直流母线电压vB，计算出直流母线平均电压VB；
步骤三：计算采样单元需要的采样时刻，即功率平衡点时刻tb
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其中，ω为输入交流电压的角频率，Vm为输入交流电压的幅值，Vo为输出电压的幅值；
步骤四：在采样信号点0时刻与功率平衡点时刻tb，采样电压监测单元监测的直流母线电压vB，分别得到直流母线电压在0时刻和功率平衡点时刻的瞬时值vB(0)和vB(tb)；
步骤五：根据DC/DC变换器单元的输出电流Io和输出电压Vo，送入功率计算单元得到输出功率Po；
步骤六：将输出功率Po、直流母线平均电压VB、以及直流母线电压在0时刻和功率平衡点时刻的瞬时值vB(0)和vB(tb)送入ESR和C计算单元，分别可获得ESR和C的值；
步骤七：将步骤六得出的ESR和C的值与电容初始值比较，若C值低于或等于初始值的80％，或ESR大于或等于初始值的2倍时，即可认为该电容已失效。
2.根据权利要求1所述的监测DCM Boost PFC变换器输出电容失效的方法，其特征在于：步骤二中所述的直流母线平均电压等效为
VB≈vC(0)
其中vC(0)为0时刻C上的电压。
3.根据权利要求1所述的监测DCM Boost PFC变换器输出电容失效的方法，其特征在于：步骤六所述的ESR和C计算单元的公式如下：
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其中，ESR为Boost PFC变换器输出电容的等效串联电阻的阻值，C为电容量的值。
4.根据权利要求1所述的监测DCM Boost PFC变换器输出电容失效的方法，其特征在于：所述ESR和C计算单元使用DSP或单片机实现。
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