CN112305343B - Buck变换器输出电容开关频率点ESR与C监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种Buck变换器输出电容开关频率点ESR与C监测方法的监测方法，该方法步骤为：第一步，将电感电流iLf与输出电压vo通过高通滤波单元并同步采样获取交流分量iLf_ac(t)与vo_ac(t)；第二步，分别计算iLf_ac(t)、vo_ac(t)与sin(2πfst)、cos(2πfst)整数倍开关周期n/fs上的定积分，其中fs为变换器的开关频率，n为正整数；第三步，根据Au、Bu、Ai、Bi值计算损耗角δ；第四步，根据Au、Bu、Ai、Bi、δ的值分别计算ESR与C的值。本发明提供的方法不需要增加额外的采样点，不影响变换器的正常工作，同时适用于CCM与DCM模式，可以精确地监测Buck类直直变换器输出电容开关频率点的ESR与C的值，为电容的健康监测提供依据。

Description

Buck变换器输出电容开关频率点ESR与C监测方法
技术领域
本发明涉及一种Buck类直直变换器输出滤波电容健康监测方法，尤其是一种Buck变换器输出电容开关频率点ESR与C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，电解电容特定频率点的ESR与C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ESR与C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ESR与C监测方法多采用开关纹波，而开关纹波中包含了多次谐波，使得辨识结果都受到谐波的影响，结果的参考价值受到影响。而且，现有的方法多需要对断续电流模式(DCM)和连续电流模式(CCM)模式进行判断，因而无法提供一种较为通用且有效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所涉及到的缺陷，提供一种Buck变换器输出电容开关频率点ESR与C监测方法，能够在线实时监测开关频率点的ESR与C，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Buck变换器输出电容开关频率点ESR与C监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A)，将所述Buck变换器的电感电流iLf与输出电压vo通过高通滤波单元并同步采样获取电感电流交流分量iLf_ac(t)与输出电压交流分量vo_ac(t)；
步骤B)，分别根据步骤A)获取的电感电流交流分量iLf_ac(t)与输出电压交流分量vo_ac(t)计算各自与sin(2πfst)、cos(2πfst)的乘积在整数倍开关周期n/fs上的定积分：
Figure BDA0002730498730000011
Figure BDA0002730498730000012
Figure BDA0002730498730000013
Figure BDA0002730498730000014
其中，fs为所述Buck变换器的开关频率，n为正整数；Au为输出电压交流分量vo_ac(t)与sin(2πfst)的乘积在整数倍开关周期n/fs上的定积分；Bu为输出电压交流分量vo_ac(t)与cos(2πfst)的乘积在整数倍开关周期n/fs上的定积分；Ai为电感电流交流分量iLf_ac(t)与sin(2πfst)的乘积在整数倍开关周期n/fs上的定积分；Bi为电感电流交流分量iLf_ac(t)与cos(2πfst)的乘积在整数倍开关周期n/fs上的定积分；
步骤C)，根据以下公式计算损耗角δ：
δ＝arctan[(Bi*Bu+Ai*Au)/(Au*Bi-Ai*Bu)]
步骤D)，根据以下公式计算所述Buck变换器输出电容开关频率点的ESR与C的值：
Figure BDA0002730498730000015
Figure BDA0002730498730000021
其中，ESR为等效串联电阻，C为电容值。
进一步的，上述方法中，步骤B)可以通过模拟积分电路实现，也可以通过数值积分方法实现。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1.本发明可以有效除去输出电压、电感电流中的干扰成分，准确监测Buck变换器输出电容开关频率点的ESR与C值；
2.本发明同时适用于CCM与DCM的模式；
3.对于输出电压、电流双环控制的Buck类直直变换器，本发明无需引入新的采样点；
4.电路简单，在不增加电子元器件的基础上，可以同时实现ESR与C的精确监测，具有重要的实际应用价值。
附图说明
图1为本发明中Buck变换器输出电容开关频率点ESR与C监测方法的示意图；
图2为本发明Buck变换器电路中负载为阻性时的工作波形图。
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：
本发明公开了一种Buck变换器输出电容开关频率点ESR与C监测方法，包括以下步骤：
步骤A)，将所述Buck变换器的电感电流iLf与输出电压vo通过高通滤波单元并同步采样获取电感电流交流分量iLf_ac(t)与输出电压交流分量vo_ac(t)；
步骤B)，分别根据步骤A)获取的电感电流交流分量iLf_ac(t)与输出电压交流分量vo_ac(t)计算各自与sin(2πfst)、cos(2πfst)的乘积在整数倍开关周期n/fs上的定积分：
Figure BDA0002730498730000022
Figure BDA0002730498730000023
Figure BDA0002730498730000024
Figure BDA0002730498730000025
其中，fs为所述Buck变换器的开关频率，n为正整数；Au为输出电压交流分量vo_ac(t)与sin(2πfst)的乘积在整数倍开关周期n/fs上的定积分；Bu为输出电压交流分量vo_ac(t)与cos(2πfst)的乘积在整数倍开关周期n/fs上的定积分；Ai为电感电流交流分量iLf_ac(t)与sin(2πfst)的乘积在整数倍开关周期n/fs上的定积分；Bi为电感电流交流分量iLf_ac(t)与cos(2πfst)的乘积在整数倍开关周期n/fs上的定积分；
此处通过数值积分方法计算得出，n取值为10，即：
Figure BDA0002730498730000026
Figure BDA0002730498730000027
Figure BDA0002730498730000028
Figure BDA0002730498730000031
其中fp为采样频率；
步骤C)，根据Au、Bu、Ai、Bi值计算损耗角δ：
δ＝arctan[(Bi*Bu+Ai*Au)/(Au*Bi-Ai*Bu)]
步骤D)，根据Au、Bu、Ai、Bi、δ值分别计算ESR与C的值：
Figure BDA0002730498730000032
Figure BDA0002730498730000033
图2为本发明中的Buck变换器电路中负载为阻性时的工作波形图，其中图2(a)为CCM模式，图2(b)为DCM模式。本发明提供了Buck变换器输出电容等效串联电阻测得仿真结果，仿真条件为：输入电压Vin＝24V，电感量Lf＝220μH，开关频率fs＝50kHz，采样频率fp＝10MHz。首先进行电路运行仿真，运行停止后电感电流交流分量iLf_ac、输出电压交流分量vo_ac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Buck变换器输出电容开关频率点ESR与C监测方法具有较高的监测精度。
表1
C实际值/μF 100 200 200 100
ESR计算值/Ω 0.2 0.2 0.1 0.2
占空比D 0.5 0.5 0.5 0.5
R<sub>L</sub>/Ω 10(CCM) 10(CCM) 10(CCM) 100(DCM)
C计算值/μF 104.05 208.09 203.88 100.39
ESR计算值/Ω 0.1962 0.1961 0.0990 0.1996
本发明提供的Buck变换器输出电容开关频率点ESR与C监测方法的优势在于可以消除其它次谐波的干扰，准确监测开关频率点的ESR与C值，且无需引入新的测量点，方法简单易实现，同时适用于CCM和DCM的模式。
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 (2)

1.一种Buck变换器输出电容开关频率点ESR与C监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A)，将所述Buck变换器的电感电流iLf与输出电压vo通过高通滤波单元并同步采样获取电感电流交流分量iLf_ac(t)与输出电压交流分量vo_ac(t)；
步骤B)，分别根据步骤A)获取的电感电流交流分量iLf_ac(t)与输出电压交流分量vo_ac(t)计算各自与sin(2πfst)、cos(2πfst)的乘积在整数倍开关周期n/fs上的定积分：
Figure FDA0002730498720000011
Figure FDA0002730498720000012
Figure FDA0002730498720000013
Figure FDA0002730498720000014
其中，fs为所述Buck变换器的开关频率，n为正整数；Au为输出电压交流分量vo_ac(t)与sin(2πfst)的乘积在整数倍开关周期n/fs上的定积分；Bu为输出电压交流分量vo_ac(t)与cos(2πfst)的乘积在整数倍开关周期n/fs上的定积分；Ai为电感电流交流分量iLf_ac(t)与sin(2πfst)的乘积在整数倍开关周期n/fs上的定积分；Bi为电感电流交流分量iLf_ac(t)与cos(2πfst)的乘积在整数倍开关周期n/fs上的定积分；
步骤C)，根据以下公式计算损耗角δ：
δ＝arctan[(Bi*Bu+Ai*Au)/(Au*Bi-Ai*Bu)]
步骤D)，根据以下公式计算所述Buck变换器输出电容开关频率点的ESR与C的值：
Figure FDA0002730498720000015
Figure FDA0002730498720000016
其中，ESR为等效串联电阻，C为电容值。
2.根据权利要求1所述的Buck变换器输出电容开关频率点ESR与C监测方法，其特征在于，所述步骤B)可以通过模拟积分电路实现，也可以通过数值积分方法实现。
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Application publication date: 20210202

Assignee: Jiangsu Indars Automation Technology Co.,Ltd.

Assignor: NANTONG University

Contract record no.: X2022320000288

Denomination of invention: Monitoring Method for ESR and C of Output Capacitor Switching Frequency Point of Buck Converter

Granted publication date: 20210910

License type: Common License

Record date: 20221130

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