电力电子变换器输出电解电容ESR和C的非侵入式在线辨识关键技术研究

Electrolytic capacitor is apt to fail in power converter, therefore it is very important to monitor ESR and C, for the parameter change reflects the performance degradation of the capacitor. The basci operation principle is analyzed for DC/DC and PFC converter, and the function relationship between the realtime value of the capacitor’s ripple voltage and the converter parameter is revealed. By analyzing and selecting a few appropriate moments in switching cycle and line cycle, the calculation model of ESR and C at switching frequency and line frequency is founded respectively. For the acquisition of the capacitor’s instantaneous ripple voltage, the trigger circuit together with its isolation and regulating method is proposed by utilizing the existing PWM signal and the input sinusoidal voltage. As the amplitude of the ripple voltage is very small compared to that of the dc component, the isolation and amplification circuit without distortion for the instantaneous ripple voltage is put forward, so as to adapt the DSP system for easy calculation and good accuracy. The complete noninvasive online ESR and C idenfication systems and solutions for the output capacitor of the power converters are presented. The project is of important theory and engineering significance for power electronic system’s condition monitoring and fault diagnosis as well as the reliability promotion.

电力电子变换器中广泛应用的电解电容是最易失效的元器件之一，因此迫切需要在线监测反映其性能衰退的ESR和C的变化。本项目分析直流变换器和PFC变换器的工作原理，揭示输出电容纹波电压实时值与变换器参数之间的函数关系，分析并选取开关周期和工频周期中某几个合适的时刻，从而建立开关频率和工频下ESR和C的实时在线计算模型。之后，研究如何利用已有的PWM和输入交流电压等信号，生成对应时刻的触发信号，给出相应的隔离和调理方法，进而提出开关周期和工频周期中特定时刻的电容瞬时纹波电压获取触发电路。由于电容纹波电压幅度与其直流量相比很小，为方便运算且提高精度，须将其转换成适合DSP系统处理的幅度，为此，研究特定时刻纹波电压获取无失真隔离放大电路。在此基础上，提出变换器输出电容ESR和C的非侵入式在线辨识系统的完整解决方案。本研究将为电力电子系统的状态监测、故障诊断及可靠性提升提供重要的理论和工程应用基础。

广泛用于各种功率变换场合的电解电容是变换器中寿命最短的元器件，在使用过程中，容值C会逐渐降低，而等效串联电阻ESR逐渐增大。同样温度下，当容值减小为初始值的80%，或ESR增大为初始值的2-3倍时，电容即失效，会造成一系列严重后果。因此，监测电解电容的ESR和C等参数并预测其寿命非常重要。相比于离线方式，在线监测无须停止设备运行，能够反映不同工作条件下的电容参数变化情况。目前的在线式方法大多不能同时得到ESR和C值；须对信号进行傅里叶变换等运算后仅取基波分量，误差较大；要加装电流传感器以检测电容和电感等的电流，改变了原有电路结构、增加了误差、提高了成本。. Buck、Boost和Flyback是三种基本拓扑，其他变换器均来源于此。针对不同电感电流模式的变换器，分析输出电容上的纹波电压，建立ESR和C与电路其他参数的关系，即实时在线计算模型。设计触发电路和隔离放大电路用以采样开关周期内特定时刻的电容纹波电压，并传入数字信号处理器进行ESR和C的计算。对于DCM，考虑纹波电流和纹波电压较大的特点及温度变化的影响，提出基于多点采样和最小二乘法的监测算法及放大系数可变的反向电压放大和负压消除电路。为降低成本和系统复杂性，无须温度传感器，提出方便DSP识别实时温度和放大系数以回归真正纹波电压的补偿电路。此外，着眼于电感值可能随着使用时间和温度变化的问题，提出一种监测变换器电感和输出电容参数的准在线方法。在输出端并联一个参数已知的电容器，推导所并电容Cp与ESRp上的电压表达式，两者的合成电压便是输出电压的瞬时值，由输出电压纹波表达式的系数推导出电感L、原有电容器C与ESR的数学模型。. 所提方法特色与创新如下：建立ESR和C的实时在线计算模型，能同时得到ESR和C值；利用特定时刻的电压，无须取基波分量或其他任何变换；可监测不同开关频率和占空比工作状态下的ESR和C；非侵入式，仅需检测电容电压，无需加装电流传感器等额外器件改变主功率电路，不对其正常运行造成任何影响。