CN112986668B - 一种Buck变换器功率开关管阈值电压监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电能变换装置中的监测技术领域，公开了一种Buck变换器功率开关管阈值电压监测装置及方法，该装置包括Buck变换器主功率电路、辅助电阻与辅助开关、DSP器件；该方法步骤为：第一步，DSP器件的DAC接口发出指令，将辅助开关断开；第二步，DSP器件的ADC接口对开关管门极与输出地之间的电压v_{g_gnd}进行采样；第三步，根据采样得到的电压v_{g_gnd}计算出阈值电压值；第四步，DSP器件的DAC接口发出指令，将辅助开关闭合，Buck变换器继续正常工作。采用本发明提供的装置及方法，可以在线精确地监测Buck变换器功率开关管的阈值电压值，为开关管的寿命预测提供依据。

Description

一种Buck变换器功率开关管阈值电压监测方法

技术领域

本发明属于电能变换装置中的监测技术领域，特别是一种电力电子变换器开关管阈值电压监测装置及方法。

背景技术

系统故障预测与健康管理(Prognostics and Health Management,PHM)是一种全面故障检测、隔离和预测及健康管理技术。通过监测系统的故障特征参数，借助各种推理算法来估计系统自身的健康状况，在系统故障发生前对其故障能尽早监测且能有效预测，准确定位退化或故障部位，并结合各种信息资源给出维修计划，从而实现系统的视情维修和自主式保障，对降低维护费用、保障系统的可靠性与安全性、提高战备完好率和任务成功率具有十分重要的意义。PHM主要包括故障预测及健康管理两大部分，其中故障预测是实现系统健康管理的基础。

电力电子技术的应用可大大提高电能变换装置功率密度，减小体积和重量。随着多电和全电飞机的发展，飞机用电量不断增加，机载电力电子设备越来越多，因此对机载电力电子变换装置的可靠性、可维护性及可测试性提出了更高的要求，电力电子系统的PHM的重要性也随之提高。

根据故障性质不同，电力电子变换电路的故障主要可分为结构性故障和参数性故障。结构性故障指电路器件出现短路、断路而导致电路拓扑发生变化的故障。参数性故障指由于电力电子系统的器件参数退化而导致的软故障。参数性故障通常不会立即使系统瘫痪，但是会引起输出特性的改变，使系统的工作性能和可靠性降低；若能及时预测参数性故障，则可以避免演变为更为恶劣的系统结构性故障以及结构性故障导致的更严重的影响，大大提高系统可靠性。因此实现故障预测的关键是特征参数的准确提取。

功率开关管是电力电子变换电路的重要组成部分，也是故障率较高的部分。阈值电压变化是功率开关管衰退的重要特征之一。由于开关管门极信号频率较高，在电力电子电路中难以提取阈值电压，因而阈值电压的在线提取方法鲜见报道。

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Buck变换器功率开关管阈值电压监测装置及方法，能够在线监测功率开关管的阈值电压，对功率开关管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：

本发明提供了一种Buck变换器功率开关管阈值电压监测装置，包括Buck变换器主功率电路、辅助电阻R_g1与辅助开关S以及DSP器件；其中，所述Buck变换器主功率电路包括输入电压源V_in、滤波电感L_f、滤波电容C_f、续流二极管D、功率开关管T、负载R_L、驱动电阻R_g0、驱动二极管D_g、驱动电源V_g；输入电压源V_in负极接地，输入电压源V_in正极连接开关管T的漏极d；开关管T的源极s同时连接驱动电源V_g的负极、续流二极管D的阴极以及滤波电感L_f一端；开关管T的门极g同时连接驱动电阻R_g0的一端和驱动二极管D_g的阳极，驱动电阻R_g0另一端同时连接辅助电阻R_g1的一端与辅助开关S的一端；辅助电阻R_g1的另一端与辅助开关S的另一端和驱动二极管D_g的阴极相连，并连接至驱动电源V_g的正极；续流二极管D的阳极接地；滤波电感L_f另一端同时连接输出滤波电容C_f的正极和负载电阻R_L的一端；输出滤波电容C_f的负极接地；负载电阻R_L的另一端接地；开关管T的门极g连接DSP器件的ADC端口；辅助开关的控制端连接DSP器件的DAC端口；DSP器件接地端接地；其中，所述的功率开关管T可以是MOSFET或IGBT。

本发明还提供了一种采用上述装置进行Buck变换器功率开关管阈值电压监测的方法，包括以下步骤：

步骤A)，DSP器件的DAC接口发出指令，将辅助开关S断开；

步骤B)，DSP器件的ADC接口对功率开关管T门极与输出地之间的电压v_{g_gnd}进行采样；

步骤C)，根据采样得到的电压v_{g_gnd}筛选出阈值电压值V_th；

步骤D)，DSP器件的DAC接口发出指令，将辅助开关S闭合，Buck变换器继续正常工作。

进一步的，上述方法中，所述DAC接口发出指令，具体为：需要测量阈值电压时，发出断开指令；测量结束时，发出闭合指令。

进一步的，上述方法中，所述根据电压v_{g_gnd}筛选出阈值电压值具体为：根据前后相邻的电压v_{g_gnd}采样值的差值筛选出阈值电压值V_th。

进一步的，上述方法中，所述根据前后相邻的v_{g_gnd}采样值的差值筛选出阈值电压值具体为：计算当前时刻电压v_{g_gnd}采样值与前一时刻电压v_{g_gnd}采样值并计算差值，若所述差值大于预设阈值，则输出所述当前时刻电压v_{g_gnd}采样值为阈值电压值V_th。

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.不影响变换器的正常工作；

2.在线监测功率开关管的阈值电压，为功率开关管的寿命预测提供依据；

3.监测方法简单易实现。

附图说明

图1为本发明中Buck变换器功率开关管阈值电压监测装置示意图；

图2为本发明中功率开关管阈值电压监测方法流程图；

图3为本发明实施例中功率开关管T开通过程中的仿真波形图。

具体实施方式

本发明提供一种Buck变换器功率开关管阈值电压监测装置及方法，为使本发明的目的，技术方案及效果更加清楚、明确，以及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明提供了一种Buck变换器功率开关管阈值电压监测装置，包括Buck变换器主功率电路、辅助电阻R_g1与辅助开关S以及DSP器件；其中，所述Buck变换器主功率电路包括输入电压源V_in、滤波电感L_f、滤波电容C_f、续流二极管D、功率开关管T、负载R_L、驱动电阻R_g0、驱动二极管D_g、驱动电源V_g；输入电压源V_in负极接地，输入电压源V_in正极连接开关管T的漏极d；开关管T的源极s同时连接驱动电源V_g的负极、续流二极管D的阴极以及滤波电感L_f一端；开关管T的门极g同时连接驱动电阻R_g0的一端和驱动二极管D_g的阳极，驱动电阻R_g0另一端同时连接辅助电阻R_g1的一端与辅助开关S的一端；辅助电阻R_g1的另一端与辅助开关S的另一端和驱动二极管D_g的阴极相连，并连接至驱动电源V_g的正极；续流二极管D的阳极接地；滤波电感L_f另一端同时连接输出滤波电容C_f的正极和负载电阻R_L的一端；输出滤波电容C_f的负极接地；负载电阻R_L的另一端接地；开关管T的门极g连接DSP器件的ADC端口；辅助开关的控制端连接DSP器件的DAC端口；DSP器件接地端接地；其中，所述的功率开关管T可以是MOSFET或IGBT。

当功率开关管T开通时，开通的漏极电流会给续流二极管D的结电容充电，而续流二极管D的结电容非常小，因此续流二极管D的两端电压v_D会存在一个突变，此时测量的电压v_{g_gnd}为：

v_{g_gnd}＝v_gs+v_D

其中v_gs为功率开关管T门极电压值。由于续流二极管D的两端电压v_D的初始值为0，因此此时捕捉到突变时刻所对应的电压v_{g_gnd}的值就是开通时刻对应的功率开关管T门极电压值v_gs，即阈值电压值V_th。

本发明还提供了一种Buck变换器功率开关管阈值电压监测方法，该方法包括以下步骤：

步骤A)，收到阈值电压测量指令，DSP器件的DAC接口发出指令，将辅助开关S断开；

步骤B)，DSP器件的ADC接口对开关管门极与输出地之间的电压v_{g_gnd}进行采样；

步骤C)，根据采样得到的电压v_{g_gnd}，利用前后相邻采样值的差值大小筛选出阈值电压值V_th，筛选过程的流程图图如2所示；

具体为：计算当前时刻电压v_{g_gnd}采样值与前一时刻电压v_{g_gnd}采样值并计算差值，若所述差值大于预设阈值，则输出所述当前时刻电压v_{g_gnd}采样值为阈值电压值V_th。否则，重新对电压v_{g_gnd}采样。

步骤D)，完成阈值电压值V_th的测量之后，DSP器件的DAC接口发出指令，将辅助开关S闭合，Buck变换器继续正常工作。

图3给出了Buck电路中功率开关管T开通过程中的仿真波形图，其中，图(a)为整体图，图(b)为局部放大图，可以看到功率开关管T开通时刻(即i_T从0开始上升时刻)对应电压v_{g_gnd}突然上升的时刻，验证了本方法理论的正确性。

本发明提供的Buck变换器功率开关管阈值电压监测装置及方法，可以在不影响电路正常工作的情况下实现对开关管阈值电压的在线监测，为开关管的寿命预测提供依据，简单易实现，具有重要的实际应用价值。

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 (4)

1.一种Buck变换器功率开关管阈值电压监测方法，其特征在于，采用Buck变换器功率开关管阈值电压监测装置进行功率开关管阈值电压监测，所述Buck变换器功率开关管阈值电压监测装置包括Buck变换器主功率电路、辅助电阻R_g1与辅助开关S以及DSP器件；其中，所述Buck变换器主功率电路包括输入电压源V_in、滤波电感L_f、滤波电容C_f、续流二极管D、功率开关管T、负载R_L、驱动电阻R_g0、驱动二极管D_g、驱动电源V_g；输入电压源V_in负极接地，输入电压源V_in正极连接开关管T的漏极d；开关管T的源极s同时连接驱动电源V_g的负极、续流二极管D的阴极以及滤波电感L_f一端；开关管T的门极g同时连接驱动电阻R_g0的一端和驱动二极管D_g的阳极，驱动电阻R_g0另一端同时连接辅助电阻R_g1的一端与辅助开关S的一端；辅助电阻R_g1的另一端与辅助开关S的另一端和驱动二极管D_g的阴极相连，并连接至驱动电源V_g的正极；续流二极管D的阳极接地；滤波电感L_f另一端同时连接输出滤波电容C_f的正极和负载电阻R_L的一端；输出滤波电容C_f的负极接地；负载电阻R_L的另一端接地；开关管T的门极g连接DSP器件的ADC端口；辅助开关的控制端连接DSP器件的DAC端口；DSP器件接地端接地；其中，所述的功率开关管T可以是MOSFET或IGBT；

所述Buck变换器功率开关管阈值电压监测方法包括以下步骤：

步骤A)，DSP器件的DAC接口发出指令，将辅助开关S断开；

步骤B)，DSP器件的ADC接口对功率开关管T门极与输出地之间的电压v_{g_gnd}进行采样；

步骤C)，根据采样得到的电压v_{g_gnd}筛选出阈值电压值V_th；

步骤D)，DSP器件的DAC接口发出指令，将辅助开关S闭合，Buck变换器继续正常工作。

2.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于，所述DAC接口发出指令，具体为：需要测量阈值电压时，发出断开指令；测量结束时，发出闭合指令。

3.根据权利要求1所述的监测方法，其特征在于，所述根据电压v_{g_gnd}筛选出阈值电压值具体为：根据前后相邻的电压v_{g_gnd}采样值的差值筛选出阈值电压值V_th。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述根据前后相邻的v_{g_gnd}采样值的差值筛选出阈值电压值具体为：计算当前时刻电压v_{g_gnd}采样值与前一时刻电压v_{g_gnd}采样值并计算差值，若所述差值大于预设阈值，则输出所述当前时刻电压v_{g_gnd}采样值为阈值电压值V_th。

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