CN205453493U - 一种高频谐振软开关电路故障预测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种高频谐振软开关电路故障预测装置，设置了7个采样模块，对应7个特征参数，这7个特征参数既包含故障信息，又反映故障产生及变化过程的机理，能充分反映故障征兆，适用于各种高频谐振软开关电路中；在每个采样模块中设置了矩阵电路，利用矩阵电路对各特征参数的原始信号进行线性测量，矩阵电路是针对与之对应的特征参数的共性设计的，能应用于具有该共性的特征参数的采样过程中，进一步拓宽了应用对象。

Description

一种高频谐振软开关电路故障预测装置

技术领域

本实用新型涉及开关电源的故障预测装置，具体涉及基一种高频谐振软开关电路故障预测装置。

背景技术

开关电源因其体型小、效率高，被广泛应用于各种电子设备中。采用高频谐振软开关技术制作开关电源，能使开关电源效率更高、体积更小、开关频率更高、可靠性更高、噪声更低。在高频谐振软开关电源中，高频谐振软开关电路是其核心电路，其性能的优劣直接关系到电子设备的技术指标及运行的稳定性，一旦发生故障，将导致整个电子设备发生故障或停止工作，造成经济损失，甚至危及人的生命。据故障研究统计，各种电子设备50％的故障皆是由开关电源故障引起。因此，在开关电源中引入故障预测装置具有重要意义。

高频谐振软开关电路的电路结构复杂，根据复杂度的不同，选取能反映故障征兆的特征参数的数量不同，各特征参数的采集模块还需根据特征参数的性能进行电路参数的调整，并通过软件进行采样性能优化，其缺点在于：用户选取特征参数数量不足或过多，导致信息采样不全或有重叠，不能充分反映故障征兆，或者能充分反映故障征兆却存在数据处理难度系数高的问题。有待于提出一种无需了解高频谐振软开关电路的内部结构以及复杂度，便可套用在高频谐振软开关电路电路上，并能准确地预测故障的装置。

实用新型内容

本实用新型提供一种高频谐振软开关电路故障预测装置，解决不能根据各种高频谐振软开关电路的复杂度和特征参数的共性准确地预测故障的问题。

本实用新型通过以下技术方案解决上述问题：

一种高频谐振软开关电路故障预测装置，包括高频谐振软开关电路，所述高频谐振软开关电路的输入端与外部直流输入的输出端相连，所述高频谐振软开关电路的输出端与外部负载相连，所述高频谐振软开关电路中含谐振电感和谐振电容，所述谐振电感和谐振电容串联连接，进一步包括输入电压采样模块、输入电流采样模块、谐振电感电流采样模块、谐振频率采样模块、谐振电容电压采样模块、输出电压采样模块、输出电流采样模块以及控制器模块；

所述输入电压采样模块的输入端与外部直流输入的输出端相连，所述输入电压采样模块的输入端与高频谐振软开关电路的输入端相连，所述输入电压采样模块的输出端与控制器模块相连；所述输入电流采样模块的输入端与外部直流输入的输出端相连，所述输入电流采样模块的输入端与高频谐振软开关电路的输入端相连，所述输入电流采样模块的输出端与控制器模块相连；所述谐振电感电流采样模块的输入端与谐振电感相连，所述谐振电感电流采样模块的输出端与控制器模块相连；所述谐振频率采样模块的输入端连接在谐振电感和谐振电容之间，所述谐振频率采样模块的输出端与控制器模块相连；所述谐振电容电压采样模块的输入端与谐振电容相连，所述谐振电容电压采样模块的输出端与控制器模块相连；所述输出电压采样模块的输入端与高频谐振软开关电路的输出端相连，所述输出电压采样模块的输入端与外部负载的供电端相连，所述输出电压采样模块的输出端与控制器模块相连；所述输出电流采样模块的输入端与高频谐振软开关电路的输出端相连，所述输出电流采样模块的输入端与外部负载的供电端相连，所述输出电流采样模块的输出端与控制器模块相连；所述控制器模块的输出端与高频谐振软开关电路的控制端相连。

上述方案中，进一步包括输入滤波模块；所述输入滤波模块的输入端与外部直流输入的输出端相连，所述输入滤波模块的输入端与输入电压采样模块的输入端相连，所述输入滤波模块的输入端与输入电流采样模块的输入端相连，所述输入滤波模块的输出端与高频谐振软开关电路的输入端相连。

上述方案中，进一步包括输出滤波模块；所述输出滤波模块的输入端与高频谐振软开关电路的输出端相连，所述输出滤波模块的输出端与外部负载相连，所述输出滤波模块的输出端与输出电压采样模块的输入端相连，所述输出滤波模块的输出端与输出电流采样模块的输入端相连，所述输出滤波模块的输出端与输出电流采样模块的输入端相连。

上述方案中，进一步包括故障报警模块；所述故障报警模块的输入端与控制器模块相连。

上述方案中，各采样模块均分别由矩阵电路和A/D电路组成；在各采样模块中，所述矩阵电路的输入端与对应的采样位置点相连，所述矩阵电路的输出端与A/D电路的输入端相连；所述A/D电路的输出端与控制器模块相连。

本实用新型的优点与效果是：

1、设置了7个采样模块，对应7个特征参数，这7个特征参数既包含故障信息，又反映故障产生及变化过程的机理，能充分反映故障征兆，适用于各种高频谐振软开关电路中；

2、在每个采样模块中设置了矩阵电路，利用矩阵电路对各特征参数的原始信号进行线性测量，矩阵电路是针对与之对应的特征参数的共性设计的，能应用于具有该共性的特征参数的采样过程中，进一步拓宽了应用对象。

附图说明

图1为本实用新型的结构原理框图。

具体实施方式

以下结合实施例对本实用新型作进一步说明，但本实用新型并不局限于这些实施例。

在高频谐振软开关电源中，高频谐振软开关电路是核心部分，由DC-DC变换器和功率变换器组成。DC-DC变换器对直流输入信号进行电压值转换，并进行隔离、降噪、稳压及过压保护，其输出端信号为平滑直流，无交流谐波分量，且输出阻抗为零，具有快速动态响应的能力，且抑制能力强。功率变换器采用谐振开关变换技术，利用谐振型开关进行变换，是一种部分谐振变换的过程，其开关损耗小，控制恰当时可使开关损耗为零；功率变换器中，开关管在导通期间或关断期间进行半周期的谐振，分别使得导通电流或关断电压为正弦波。直流信号经DC-DC变换器变换后，输入至功率变换器，功率变换器作为零电压谐振开关或零电流谐振开关，将经DC-DC变换以及功率变换后的直流信号导通至外部负载。

在高频谐振软开关电路中，开关器件在零电压或零电流条件下切换，理论上开关损耗为零，在采用同一类型开关器件时，高频谐振软开关能在高出硬开关电路一个、甚至几个数量级的开关频率下工作。高频谐振软开关电路的优点还在于噪音低、电磁干扰低、输出的波形谐波成分少；另外，由于开关器件在零电压或零电流的条件下动作，开关器件的动态过程大为改善，因此无需缓冲电路，散热器尺寸也明显减小，使用高频谐振软开关电路的尺寸及重量也随之大大减小，且开关器件在高可靠性和高频率条件下工作。

功率变换器包含谐振单元，在谐振单元中，谐振电感和谐振电容串联连接。从高频谐振软开关电路中选择易于测量的、适量的特征参数，这些特征参数能够反映故障征兆，通常选择高频谐振软开关电路由正常到故障过程中有不同程度变换的电路参数作为特征参数，所选择的特征参数既包含故障信息，又反映故障产生及变化过程的机理，为故障预测处理提供有效数据，且还需避免产生海量数据，降低数据处理的难度系数。设置多个关键的特征参数可以克服部分噪声对获取高频谐振软开关电路性能参数的准确度的影响，提高故障预测的可靠性。

特征参数为至少1个，本实用新型采样7个特征参数，分别为输入电压、输入电流、谐振电感电流、谐振频率、谐振电容电压、输出电压以及输出电流，对应设置7个采样模块，分别为输入电压采样模块、输入电流采样模块、谐振电感电流采样模块、谐振频率采样模块、谐振电容电压采样模块、输出电压采样模块以及输出电流采样模块。这7个特征参数为最基本的反馈故障征兆的参数，应用于各种高频谐振软开关电路中。用户可根据实际需求采样7个以上的特征参数，设置7个以上的采样模块。

本实用新型包括上述7个采样模块、输入滤波模块、输出滤波模块、控制器模块以及故障报警模块，用户还可根据需要设置更多的采样模块。本实用新型选择这7个采样点，实现的电路结构简单、受到的干扰较小，容易准确获取特征参数的信号；输入滤波模块抑制外部直流输入的传导干扰和辐射干扰，抑制共模噪声和差模噪声；输出滤波模块滤除输出信号的高次谐波，减小由高次谐波引发的附加影响，抑制浪涌电压；高频谐振软开关电路在控制器模块的控制下执行开关操作；即将出现故障时，控制器模块启动故障报警模块进行报警。

外部直流输入的输出端与输入滤波模块的输入端相连，输入滤波模块的输出端经高频谐振软开关电路后，连接至输出滤波模块的输入端，输出滤波模块的输出端连接至外部负载的供电端；输入电压采样模块的输入端与外部直流输入的输出端相连，与输入滤波模块的输入端相连，输入电压采样模块的输出端与控制器模块相连；输入电流采样模块的输入端与外部直流输入的输出端相连，与输入滤波模块的输入端相连，输入电流采样模块的输出端与控制器模块相连；谐振电感电流采样模块的输入端与谐振电感相连，谐振电感电流采样模块的输出端与控制器模块相连；谐振频率采样模块的输入端连接在谐振电感和谐振电容之间，谐振频率采样模块的输出端与控制器模块相连；谐振电容电压采样模块的输入端与谐振电容相连，谐振电容电压采样模块的输出端与控制器模块相连；输出电压采样模块的输入端与输出滤波模块的输出端相连，输出电压采样模块的输入端与外部负载的供电端相连，输出电压采样模块的输出端与控制器模块相连；输出电流采样模块的输入端与输出滤波模块的输出端相连，输出电流采样模块的输入端与外部负载的供电端相连，输出电流采样模块的输出端与控制器模块相连；控制器模块的一路输出端与高频谐振软开关电路的控制端相连，控制器模块的另一路输出端与故障报警模块的输入端相连；输入滤波模块的负极输入端、输入滤波模块的负极输出端、输出滤波模块的负极输入端以及输出滤波模块的负极输出端均与模拟地相连，参见图1。

各采样模块均由矩阵电路和A/D电路组成。在每个采样模块中，矩阵电路的输入端与对应的采样位置点相连，矩阵电路的输出端与A/D电路的输入端相连，A/D电路的输出端与控制器模块相连。各矩阵电路分别为第一矩阵电路、第二矩阵电路、第三矩阵电路、第四矩阵电路、第五矩阵电路、第六矩阵电路、第七矩阵电路，各A/D电路分别为第一A/D电路、第二A/D电路、第三A/D电路、第四A/D电路、第五A/D电路、第六A/D电路、第七A/D电路。各A/D电路的电路结构完全相同；各矩阵电路不完全相同，每个矩阵电路分别对应一个线性测量矩阵；运用现有稀疏变换技术对各特征参数进行稀疏变换，运用现有的设计测量矩阵方法设计出与稀疏变换基不相关的线性测量矩阵；在每个采样模块中设置了矩阵电路，一个矩阵电路对应一个线性测量矩阵，特征参数的原始信号经矩阵电路进行线性测量后，输入至A/D电路进行A/D转换，再输入至控制器模块中。矩阵电路是针对与之对应的特征参数的共性设计的，能应用于具有该共性的特征参数的采样过程中，进一步拓宽了应用对象。

本实用新型的工作过程为：外部直流输入信号经输入滤波模块滤波后，输出至高频谐振软开关电路，高频谐振软开关电路在控制器模块控制下执行开关动作，执行开动作时，直流信号输入至输出滤波模块，经输出滤波后，输出至外部负载；各采样模块采集特征参数，各特征参数的原始信号经线性测量后输出离散采样信号，再经A/D电路将离散采样信号转换为数字信号，由控制器模块根据数字信号发出控制信号至高频谐振软开关电路，控制器模块在即将出现故障时启动故障报警模块。

Claims (5)

1.一种高频谐振软开关电路故障预测装置，包括高频谐振软开关电路，所述高频谐振软开关电路的输入端与外部直流输入的输出端相连，所述高频谐振软开关电路的输出端与外部负载相连，所述高频谐振软开关电路中含谐振电感和谐振电容，所述谐振电感和谐振电容串联连接，其特征在于：

进一步包括输入电压采样模块、输入电流采样模块、谐振电感电流采样模块、谐振频率采样模块、谐振电容电压采样模块、输出电压采样模块、输出电流采样模块以及控制器模块；

所述输入电压采样模块的输入端与外部直流输入的输出端相连，所述输入电压采样模块的输入端与高频谐振软开关电路的输入端相连，所述输入电压采样模块的输出端与控制器模块相连；所述输入电流采样模块的输入端与外部直流输入的输出端相连，所述输入电流采样模块的输入端与高频谐振软开关电路的输入端相连，所述输入电流采样模块的输出端与控制器模块相连；所述谐振电感电流采样模块的输入端与谐振电感相连，所述谐振电感电流采样模块的输出端与控制器模块相连；所述谐振频率采样模块的输入端连接在谐振电感和谐振电容之间，所述谐振频率采样模块的输出端与控制器模块相连；所述谐振电容电压采样模块的输入端与谐振电容相连，所述谐振电容电压采样模块的输出端与控制器模块相连；所述输出电压采样模块的输入端与高频谐振软开关电路的输出端相连，所述输出电压采样模块的输入端与外部负载的供电端相连，所述输出电压采样模块的输出端与控制器模块相连；所述输出电流采样模块的输入端与高频谐振软开关电路的输出端相连，所述输出电流采样模块的输入端与外部负载的供电端相连，所述输出电流采样模块的输出端与控制器模块相连；所述控制器模块的输出端与高频谐振软开关电路的控制端相连。

2.根据权利要求1所述的一种高频谐振软开关电路故障预测装置，其特征在于：

进一步包括输入滤波模块；所述输入滤波模块的输入端与外部直流输入的输出端相连，所述输入滤波模块的输入端与输入电压采样模块的输入端相连，所述输入滤波模块的输入端与输入电流采样模块的输入端相连，所述输入滤波模块的输出端与高频谐振软开关电路的输入端相连。

3.根据权利要求1所述的一种高频谐振软开关电路故障预测装置，其特征在于：

进一步包括输出滤波模块；所述输出滤波模块的输入端与高频谐振软开关电路的输出端相连，所述输出滤波模块的输出端与外部负载相连，所述输出滤波模块的输出端与输出电压采样模块的输入端相连，所述输出滤波模块的输出端与输出电流采样模块的输入端相连，所述输出滤波模块的输出端与输出电流采样模块的输入端相连。

4.根据权利要求1所述的一种高频谐振软开关电路故障预测装置，其特征在于：

进一步包括故障报警模块；所述故障报警模块的输入端与控制器模块相连。

5.根据权利要求1-4中任意一项所述的一种高频谐振软开关电路故障预测装置，其特征在于：

各采样模块均分别由矩阵电路和A/D电路组成；在各采样模块中，所述矩阵电路的输入端与对应的采样位置点相连，所述矩阵电路的输出端与A/D电路的输入端相连；所述A/D电路的输出端与控制器模块相连。