CN113671335A - 一种Boost变换器功率开关管与二极管统一监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种Boost变换器功率开关管与二极管统一监测方法，该方法步骤为：采样功率开关管栅极电压获得其一个开关周期的波形；截取一个开关周期的栅极电压波形中功率开关管开通过程的波形；对截取的波形进行微分变换；根据微分变换前后的波形提取功率开关管的阈值电压；将截取的波形高通滤波后进行傅里叶变换；根据傅里叶变换得出的峰值点提取开通振铃频率；根据提取的阈值电压以及振铃频率分别对功率开关管与二极管进行健康检测。采用本发明提供的方法，基于统一检测点可以同时在线精确地监测Boost变换器功率开关管的阈值电压值与二极管的结电容值，为开关管与二极管的健康监测提供依据。

Description

一种Boost变换器功率开关管与二极管统一监测方法

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功率开关管与二极管统一监测方法。

背景技术

系统故障预测与健康管理(Prognostics andHealth 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。

功率开关管与二极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。阈值电压变化与结电容变化分别是功率开关管与二极管衰退的重要特征之一，结电容的变化会直接导致开关振铃频率的变化。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，而对于基于统一检测点的功率开关管与二极管的健康监测方法未见报道。

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Boost变换器功率开关管与二极管统一监测方法，能够同时在线监测功率开关管的阈值电压与二极管的结电容，对功率开关管与二极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：

一种Boost变换器功率开关管与二极管统一监测方法，包括以下步骤：

步骤A)，采样一个开关周期的功率开关管栅极电压波形V_{g_gnd}(1,…,n)；

步骤B)，从步骤A)采集得到的功率开关管栅极电压波形V_{g_gnd}(1,…,n)中截取功率开关管开通过程的波形V_{g_gnd}(i,…,j)；

步骤C)，对步骤B)截取得到的波形V_{g_gnd}(i,…,j)进行微分变换得到微分变换后波形V'(i+1,…j-1)；

步骤D)，根据波形V_{g_gnd}(i,…,j)和微分变换后波形V'(i+1,…j-1)提取功率开关管的阈值电压V_th；

步骤E)，将波形V_{g_gnd}(i,…,j)高通滤波后进行傅里叶变换F(f)；

步骤F)，根据傅里叶变换得出的峰值点提取开通振铃频率f_r；

步骤G)，根据提取的阈值电压V_th以及开通振铃频率f_r分别对功率开关管与二极管进行健康监测。

进一步的，步骤C)中，所述微分变换的公式为：

其中x＝i+1,…,j-1,h为采样周期。

进一步的，步骤D)具体为：按顺序寻找V'(x)中首个大于A的点所对应的x值m，认定提取的功率开关管的阈值电压V_th＝V(m)，其中，A根据驱动电路的参数进行预先设定。

进一步的，步骤F)中，根据傅里叶变换得出的峰值点提取开通振铃频率f_r的提取原则为：根据F(f_r)＝max F(f)确定开通振铃频率f_r。

进一步的，步骤G)中，所述健康监测的原则为：当所述阈值电压V_th或所述开通振铃频率f_r与其对应的同温度下的参考值偏移量超过20％，则判定失效；否则，判定健康。

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.可以基于统一检测点同时在线监测功率开关管与二极管的健康状况；

3.监测方法简单易实现。

附图说明

图1为本发明中Boost变换器功率开关管与二极管统一监测方法原理示意图；

图2为本发明中检测点的仿真波形图。

具体实施方式

本发明提供一种Boost变换器功率开关管与二极管统一监测方法，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。

本发明的监测装置及方法的理论推导：

图1为Boost变换器功率开关管与二极管统一监测方法原理示意图，当功率开关管T开通时，功率开关管的漏极电流需要从0开始上升，而由于s点与gnd之间漏感的存在，势必需要在漏感上产生电压才能使得漏极电流上升，因此在功率开关管T开通时会使得功率开关管栅极电压斜率突然增大，因此可以根据当功率开关管栅极电压微分值的变化对功功率开关管的阈值电压进行提取。

当功率开关管T开通之后，二极管关断，线路中的漏感与二极管的结电容会产生谐振，即开关振铃，而由于s点与gnd之间漏感的存在，这个开关振铃会反应到功率开关管栅极电压上，因此功率开关管栅极电压中存在的震荡波形就是线路中的漏感与二极管的结电容产生的振铃。

本发明的功率开关管与二极管统一监测方法的实施步骤：

步骤A)，采样一个开关周期的功率开关管栅极电压波形V_{g_gnd}(1,…,n)；

步骤B)，截取一个开关周期的栅极电压波形中功率开关管开通过程的波形V_{g_gnd}(i,…,j)；

步骤C)，对截取的波形V_{g_gnd}(i,…,j)进行微分变换得到V'(i+1,…j-1)，其中变换公式为：

其中x＝i+1,…,j-1,h为采样周期；

步骤D)，根据微分变换前后的波形提取功率开关管的阈值电压V_th，具体提取方法为:按顺序寻找V'(x)中首个大于A的点所对应的x值m，认定提取的功率开关管的阈值电压V_th＝V(m)，其中A根据驱动电路的参数进行预先设定；

步骤E)，将截取的波形高通滤波后进行傅里叶变换F(f)；

步骤F)，根据傅里叶变换得出的峰值点提取开通振铃频率f_r，提取原则为：F(fr)＝max F(f)；

步骤G)，根据提取的阈值电压以及振铃频率分别对功率开关管与二极管进行健康监测，健康监测原则为：当提取的值与同温度下的参考值偏移量超过20％，则判定失效；否则，判定健康。

具体的，当所述阈值电压V_th与其同温度下的参考值偏移量超过20％，则判定功率开关管失效；否则，判定功率开关管健康；当开通振铃频率f_r与其对应的同温度下的参考值偏移量超过20％，则判定二极管失效；否则，判定二极管健康。

本发明的监测方法仿真验证：

图2给出了Boost电路中功率开关管T开通过程中栅极电压的波形图，可以看到开关管开通时刻，即漏极电流i_d从0开始上升时刻对应v_{g_gnd}电压的斜率突然上升时刻，验证了本方法监测功率开关管阈值电压理论的正确性。同时，可以看到二极管两端电压v_D中的震荡频率与v_{g_gnd}中的震荡频率相同，验证了本方法监测二极管结电容理论的正确定。

本发明提供的Boost变换器功率开关管与二极管统一监测方法，可以在不影响电路正常工作的情况下实现同时对功率开关管与二极管的在线监测，为功率开关管与二极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 (5)

1.一种Boost变换器功率开关管与二极管统一监测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A)，采样一个开关周期的功率开关管栅极电压波形V_{g_gnd}(1,…,n)；

步骤B)，从步骤A)采集得到的功率开关管栅极电压波形V_{g_gnd}(1,…,n)中截取功率开关管开通过程的波形V_{g_gnd}(i,…,j)；

步骤C)，对步骤B)截取得到的波形V_{g_gnd}(i,…,j)进行微分变换得到微分变换后波形V'(i+1,…j-1)；

步骤D)，根据波形V_{g_gnd}(i,…,j)和微分变换后波形V'(i+1,…j-1)提取功率开关管的阈值电压V_th；

步骤E)，将波形V_{g_gnd}(i,…,j)高通滤波后进行傅里叶变换F(f)；

步骤F)，根据傅里叶变换得出的峰值点提取开通振铃频率f_r；

步骤G)，根据提取的阈值电压V_th以及开通振铃频率f_r分别对功率开关管与二极管进行健康监测。

2.根据权利要求1所述的Boost变换器功率开关管与二极管统一监测方法，其特征在于，步骤C)中，所述微分变换的公式为：

其中x＝i+1,…,j-1,h为采样周期。

3.根据权利要求1所述的Boost变换器功率开关管与二极管统一监测方法，其特征在于，步骤D)具体为：按顺序寻找V'(x)中首个大于A的点所对应的x值m，认定提取的功率开关管的阈值电压V_th＝V(m)，其中，A根据驱动电路的参数进行预先设定。

4.根据权利要求1所述的Boost变换器功率开关管与二极管统一监测方法，其特征在于，步骤F)中，根据傅里叶变换得出的峰值点提取开通振铃频率f_r的提取原则为：根据F(f_r)＝max F(f)确定开通振铃频率f_r。

5.根据权利要求1所述的Boost变换器功率开关管与二极管统一监测方法，其特征在于，步骤G)中，所述健康监测的原则为：当所述阈值电压V_th或所述开通振铃频率f_r与其对应的同温度下的参考值偏移量超过20％，则判定失效；否则，判定健康。

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