CN111323653B - 一种CCM Buck变换器输出电容tanδ监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电能变换装置中的故障预测与健康管理领域，公开了一种CCM Buck变换器输出电容tanδ监测方法，该方法包括：第一步，将输出电压v_o通过隔直单元获取输出电压交流分量v_{o_ac}；第二步，寻找输出电压交流分量v_{o_ac}中的极值点；第三步，利用输出电压交流分量v_{o_ac}中的极值点进行线性插值得到三角波v_tri；第四步，根据输出电压交流分量v_{o_ac}与三角波v_tri计算输出电容tanδ值。本发明提供的方法不需要增加额外采样点与传感器，不影响变换器的正常工作，简单易实现，为电容的健康监测提供依据。

Description

一种CCM Buck变换器输出电容tanδ监测方法

技术领域

本发明属于电能变换装置中的故障预测与健康管理领域，特别是一种CCM Buck变换器输出电容tanδ监测方法。

背景技术

由于高效率、小体积、低噪声等优点，电力电子变换器已广泛应用于军事、航空航天、工业等领域。在电力电子变换器中，为了得到较高质量的输出电压，必须采用电容滤除高频噪声，其中电解电容最为常用。有调查指出电解电容为电力电子变换器中失效率最高的功率器件。电解电容使用一段时间后，电容的等效串联电阻ESR会增大，电容的容值C会减小，当两者变化至一定程度后，即可认为该电容已经失效，电容的失效将会造成变换器以及系统的运行故障。工业上，电解电容的损耗角正切值与电容容值是用来衡量电容健康状况的重要指标。Buck类直直变换器在新能源发电、计算机电源、通讯电源等领域广泛使用，因此监测Buck类直直变换器的输出滤波电容的损耗角正切值对于评估其健康状况至关重要。然而，现有的Buck类直直变换器输出电容健康监测多集中于ESR以及C的在线辨识，辨识过程复杂，无法提供一种较为简便且通用的电容健康监测方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种CCM Buck变换器输出电容tanδ监测方法，该方法基于输出电压能够在线实时监测损耗角正切值tanδ的变化，对电解电容的健康状态进行监测，从而为对电力电子电路进行故障预测提供研究基础。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种CCM Buck变换器输出电容tanδ监测方法，包括以下步骤：

S1.将输出电压v_o通过隔直单元获取输出电压交流分量v_{o_ac}；

S2.寻找输出电压交流分量v_{o_ac}中的极值点；

S3.利用输出电压交流分量v_{o_ac}中的极值点进行线性插值得到三角波v_tri；

S4.根据输出电压交流分量v_{o_ac}与三角波v_tri计算输出电容损耗角正切值tanδ。

进一步的，步骤S1中所述将输出电压v_o通过隔直单元获取输出电压交流分量v_{o_ac}的实现方式如下式所示：

v_{o_ac}＝v_o-mean(v_o)，

其中，v_{o_ac}表示输出电压的交流分量，v_o表示输出电压。

进一步的，步骤S2中，所述寻找极值点V_{o_ac}(i)的判定方法为：

(V_{o_ac}(i)-V_{o_ac}(i-1))·((V_{o_ac}(i)-V_{o_ac}(i+1))≥0。

进一步的，步骤S4中所述输出电容损耗角正切值tanδ的计算公式为：

其中，tanδ表示输出电容损耗角正切值，v_tri表示三角波。

与现有技术相比，本发明的显著优点为：

(1)本发明只需要采样输出电压信号，无需其他信号，实现方式简单；

(2)本发明无需增加采样点，无需检测电流信号，无需电流传感器；

(3)电路简单，在不增加传感器的基础上，可以实现tanδ的精确监测，具有重要的实际应用价值。

附图说明

图1为本发明CCM Buck变换器输出电容tanδ监测方法示意图；

图2为CCM Buck变换器的工作波形图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：

结合图1，本发明公开了一种CCM Buck变换器输出电容tanδ监测方法，包括以下步骤：

S1.对输出电压v_o采样得到V_o(1:N)，通过隔直单元获取输出电压交流分量V_{o_ac}(1:N)，所述的隔直单元的实现方式为：

V_{o_ac}(1:N)＝V_o(1:N)-mean(V_o(1:N))

其中N为采样点数；

S2.寻找输出电压交流分量V_{o_ac}(1:N)中的极值点，所述寻找极值点V_{o_ac}(i)的判定方法为：

(V_{o_ac}(i)-V_{o_ac}(i-1))·((V_{o_ac}(i)-V_{o_ac}(i+1))≥0

S3.利用输出电压交流分量V_{o_ac}(1:N)中的极值点进行线性插值得到三角波V_tri(1:N)；

S4.根据输出电压交流分量V_{o_ac}(1:N)与三角波V_tri(1:N)计算输出电容tanδ值，所述的tanδ的计算公式为：

上述步骤中的信号处理过程都可以在Matlab软件中完成。

图2为本发明中的CCM Buck变换器的工作波形图。本发明提供了Buck变换器输出电容损耗角正切值监测得仿真结果，仿真条件为：输入电压V_in＝24V，电感量L_f＝220μH，开关频率f_s＝50kHz，采样频率f_c＝10MHz。首先进行电路运行仿真，运行停止后输出电压v_o被导入matlab的workspace中，进行数据处理，不同条件下得仿真结果如表1所示，由此可见本发明提供的CCM Buck变换器输出电容tanδ的监测方法在各个条件下都具有较好的跟踪精度。

表1

C<sub>f</sub>/μF	100	100	50	100	100
						ESR/Ω	0.1	0.1	0.2	0.2	0.2
占空比D	0.5	0.3	0.5	0.5	0.5
						R<sub>L</sub>/Ω	10	10	10	10	5
Tanδ理论值	3.14	3.14	3.14	6.28	6.28
						tanδ估计值	3.4019	3.5060	3.4590	7.3525	7.5170

本发明提供的CCM Buck变换器输出电容tanδ的监测方法的优势在于只需要输出电压信号，无需引入新的测量点，无需电流传感器，不影响变换器的正常工作，方法简单易实现。需要注意的是，本发明适用于大部分情况下CCM Buck变换器输出电容tanδ，但是在极端情况下，如ESR很小，C值很小的情况下，本方法并不适用。

本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种CCM Buck变换器输出电容tanδ监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.将输出电压v_o通过隔直单元获取输出电压交流分量v_{o_ac}；

S2.寻找输出电压交流分量v_{o_ac}中的极值点；

S3.利用输出电压交流分量v_{o_ac}中的极值点进行线性插值得到三角波v_tri；

S4.根据输出电压交流分量v_{o_ac}与三角波v_tri计算输出电容损耗角正切值tanδ；

所述输出电容损耗角正切值tanδ的计算公式为：

其中，tanδ表示输出电容损耗角正切值，v_tri表示三角波。

2.根据权利要求1所述的CCMBuck变换器输出电容tanδ监测方法，其特征在于，步骤S1中所述将输出电压v_o通过隔直单元获取输出电压交流分量v_{o_ac}的实现方式如下式所示：

v_{o_ac}＝v_o-mean(v_o)，

其中，v_{o_ac}表示输出电压的交流分量，v_o表示输出电压。

3.根据权利要求1所述的CCMBuck变换器输出电容tanδ监测方法，其特征在于，步骤S2中，所述寻找极值点V_{o_ac}(i)的判定方法为：

(V_{o_ac}(i)-V_{o_ac}(i-1))·((V_{o_ac}(i)-V_{o_ac}(i+1))≥0。

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