本發(fā)明屬于電能變換裝置中的監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種ccm升壓變換器輸出電容esr和c的監(jiān)測(cè)裝置及方法。

背景技術(shù)：

由于效率高、體積小等優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)關(guān)電源在日常生產(chǎn)生活中應(yīng)用十分廣泛。其中，ccm(continuouscurrentmode，電流連續(xù)模式)boost變換器在直流電動(dòng)機(jī)、pfc功率因數(shù)校正電路以及直流電源等領(lǐng)域廣泛使用，在boost電路中，為了得到較為穩(wěn)定的輸出電壓，必須采用電容有效濾除高頻噪聲。變換器工作一段時(shí)間之后，電容的容值(capacitance,c)和等效串聯(lián)電阻(equivalentseriesresistance,esr)會(huì)發(fā)生變化，與初電容值c和阻值esr相比，當(dāng)該變化量較大時(shí)，即可認(rèn)為該電容已失效，電容的失效將會(huì)造成電源和系統(tǒng)的運(yùn)行故障，若不能及時(shí)進(jìn)行更換將造成巨大的損失，因此能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)電容的c和esr值并判斷電容是否失效十分重要。現(xiàn)有的監(jiān)測(cè)技術(shù)大都采用離線式監(jiān)測(cè)方式，需要停止變換器的工作，因此十分不方便，即使采用在線監(jiān)測(cè)，過(guò)程操作也十分繁瑣，并且精準(zhǔn)度不高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種ccm升壓變換器輸出電容esr和c的監(jiān)測(cè)裝置及方法，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)等效串聯(lián)電阻esr和電容的容值c的變化，對(duì)電解電容和電源的壽命進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種ccm升壓變換器輸出電容esr和c的監(jiān)測(cè)裝置包括boost變換器主功率電路、驅(qū)動(dòng)電路、顯示單元，一只參數(shù)已知的電容與電流互感器，以及信號(hào)處理模塊，所述信號(hào)處理模塊包括功率電路控制單元、開(kāi)關(guān)頻率fs計(jì)算單元、占空比d計(jì)算單元、輸出電壓采樣單元、電容電流觸發(fā)采樣單元、電感l(wèi)以及電容esr和c計(jì)算單元；

所述boost變換器主功率電路包括輸入電壓源vin、開(kāi)關(guān)管qb、續(xù)流二極管db、濾波電感l(wèi)、輸出濾波電容和負(fù)載rl，所述輸出濾波電容包括等效串聯(lián)電阻esr和電容c，其中開(kāi)關(guān)管qb的源極與電壓源vin的負(fù)極連接，續(xù)流二極管db的陽(yáng)極與開(kāi)關(guān)管qb的漏極連接，續(xù)流二極管db的陰極分別與等效串聯(lián)電阻esr、負(fù)載rl連接，濾波電感l(wèi)的一端與續(xù)流二極管db的陽(yáng)極連接，濾波電感l(wèi)的另一端與電壓源vin的正極連接，等效串聯(lián)電阻esr的另一端與電容c的一端連接，電容c的另一端、負(fù)載rl的另一端均與電壓源vin的負(fù)極連接，負(fù)載rl與參數(shù)已知的并聯(lián)輸出電容并聯(lián)，其兩端為輸出平均電壓為vo；

所述功率電路控制單元的輸入端分別與boost變換器主功率電路的電壓源vin和輸出平均電壓vo連接，功率電路控制單元輸出端的pwm信號(hào)分別接入開(kāi)關(guān)頻率fs計(jì)算單元和占空比d計(jì)算單元，boost變換器主功率電路的輸出平均電壓vo接入輸出電壓采樣單元，電流互感隔離放大單元和功率電路控制單元輸出端的pwm信號(hào)均接入電容電流觸發(fā)采樣單元，開(kāi)關(guān)頻率fs計(jì)算單元、占空比d計(jì)算單元、輸出電壓采樣單元和電容電流觸發(fā)采樣單元的輸出端均接入電容esr和c計(jì)算單元，電容esr和c計(jì)算單元的輸出端接入顯示單元；

所述驅(qū)動(dòng)電路的輸入端與功率電路控制單元輸出端的pwm信號(hào)連接，驅(qū)動(dòng)電路的輸出端接入開(kāi)關(guān)管qb的門極。

一種ccm升壓變換器輸出電容esr和c的監(jiān)測(cè)方法，包括以下步驟：

步驟1，在輸出端并聯(lián)上一個(gè)參數(shù)已知的電容，在信號(hào)處理模塊中創(chuàng)建功率電路控制單元、開(kāi)關(guān)頻率fs計(jì)算單元、占空比d計(jì)算單元、輸出電壓采樣單元、電容電流觸發(fā)采樣單元、電容esr和c計(jì)算單元；

步驟2，信號(hào)處理模塊的功率電路控制單元采集boost變換器主功率電路的輸出平均電壓vo和輸入電壓vin，得到pwm信號(hào)并經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管qb；

步驟3，功率電路控制單元輸出的pwm信號(hào)送入開(kāi)關(guān)頻率fs計(jì)算單元和占空比d計(jì)算單元，經(jīng)開(kāi)關(guān)頻率fs計(jì)算單元處理得出變換器當(dāng)前的開(kāi)關(guān)頻率fs，經(jīng)占空比d計(jì)算單元處理得出變換器當(dāng)前的占空比d；

步驟4，boost變換器主功率電路的輸出平均電壓vo送入輸出電壓采樣單元，得到輸出電壓的平均值；

步驟5，功率電路控制單元輸出的pwm信號(hào)和電流互感隔離放大單元(8)的電容電流ix送入電容電流觸發(fā)采樣單元，通過(guò)延時(shí)程序處理對(duì)電容電流等dts/10間隔采樣，得到電容電流在dts—ts之間的瞬時(shí)值ix(dts)、ix[(1+dts)/10]、ix[(1+dts)/5]、ix[3(1+dts)/10]、ix[2(1+dts)/5]、ix[(1+dts)/2]、ix[3(1+dts)/5]、ix[7(1+dts)/10]、ix[4(1+dts)/5]、ix[9(1+dts)/10]、ix(ts)共11個(gè)值；

步驟6，將得到的開(kāi)關(guān)頻率fs、占空比d、輸出電壓的平均值vo以及電容電流的瞬時(shí)值ix(dts)、ix[(1+dts)/10]、ix[(1+dts)/5]、ix[3(1+dts)/10]、ix[2(1+dts)/5]、ix[(1+dts)/2]、ix[3(1+dts)/5]、ix[7(1+dts)/10]、ix[4(1+dts)/5]、ix[9(1+dts)/10]、ix(ts)送入電容esr和c計(jì)算單元進(jìn)行曲線擬合和綜合處理，得到boost變換器中輸出濾波電容當(dāng)前等效串聯(lián)電阻esr和電容c的值；

步驟7，電容esr和c計(jì)算單元將所得的等效串聯(lián)電阻esr和電容c的值送入顯示單元實(shí)時(shí)顯示。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的顯著優(yōu)點(diǎn)為：本發(fā)明針對(duì)ccmboost變換器的輸出濾波電容，設(shè)計(jì)出一種高效穩(wěn)定的輸出濾波電容等效串聯(lián)電阻esr和電容c的在線監(jiān)測(cè)裝置及方法，該方法可以在不影響電路正常工作的情況下對(duì)電容的參數(shù)esr和c進(jìn)行監(jiān)測(cè)，為電容和電源的壽命預(yù)測(cè)提供依據(jù)，無(wú)需額外參數(shù)，方便實(shí)現(xiàn)。

附圖說(shuō)明

圖1是ccmboost變換器開(kāi)關(guān)周期中的工作波形圖。

圖2是本發(fā)明ccm升壓變換器輸出電容esr和c的監(jiān)測(cè)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

其中：vin-輸入電壓，iin-輸入電流，il-電感電流，ic-電容電流，icx-并聯(lián)電容電流，io-輸出電流，vo-輸出電壓平均值，qb-開(kāi)關(guān)管，db-二極管，l-電感，c-輸出濾波電容值，esr-等效串聯(lián)電阻值，cx-并聯(lián)電容的電容值，esrx-并聯(lián)電容的等效串聯(lián)電阻值，rl-負(fù)載，vgs-開(kāi)關(guān)管qb的驅(qū)動(dòng)電壓，d-占空比，t-時(shí)間，fs-變換器開(kāi)關(guān)頻率，δil-電感電流紋波峰峰值，vesr-等效串聯(lián)電阻上的電壓，vc-電容上的電壓。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作出進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

1、理論推導(dǎo)：

圖1為ccmboost變換器開(kāi)關(guān)周期中的工作波形。當(dāng)開(kāi)關(guān)管qb導(dǎo)通時(shí)，二極管db截止，電感l(wèi)兩端的電壓為vin，其電感電流il以vin/l的斜率線性上升。當(dāng)二極管db關(guān)斷時(shí)，電感電流il通過(guò)二極管db續(xù)流，此時(shí)電感l(wèi)兩端的電壓為vin-vo，電感電流il以(vin-vo)/l的斜率下降。由于boost變換器工作在ccm模式，因此在開(kāi)關(guān)周期結(jié)束前，電感電流il未下降到零。電感電流il在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的平均值即為輸出電流io。

電容電流ic的表達(dá)式為：

其中vin為輸入電壓，vo為輸出電壓平均值，l為電感值，fs為boost變換器的開(kāi)關(guān)頻率，d為開(kāi)關(guān)管的占空比，ts為boost變換器的開(kāi)關(guān)周期，t為時(shí)間，io為電感電流在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的平均值。

可以設(shè)：

可得，兩電容的電流和ic+icx的表達(dá)式為：

兩電容的電壓表達(dá)式分別為

由于兩電容并聯(lián)，則兩電容電壓相等

vc(t)＝vcx(t)(7)

當(dāng)時(shí)，

由式(8)求導(dǎo)可得

分別對(duì)式(9)等號(hào)兩邊做laplace變換可得

化簡(jiǎn)可得

對(duì)式(11)等號(hào)做laplace逆變換可得

其中

根據(jù)采樣得到的11個(gè)并聯(lián)電容值可以做出擬合曲線，得到x1、x2、x3和icx(0)。

把式(2)、(3)代入(13)、(14)、(15)可得：

式中，l為電感的感值，esr為等效串聯(lián)電阻的阻值，c為電容的容值，fs為變換器開(kāi)關(guān)頻率，vo為輸出電壓平均值，d為變換器的占空比，esrx為所并聯(lián)電容的等效串聯(lián)電阻的阻值，cx為所并聯(lián)電容的電容的容值，x1、x2、x3為擬合曲線的參數(shù)。

基于式(16)、(17)，可以得到ccmboost變換器輸出濾波電容esr和c的監(jiān)測(cè)方法。

2、本發(fā)明ccm升壓變換器輸出電容esr和c的監(jiān)測(cè)裝置及方法

結(jié)合圖2，本發(fā)明ccm升壓變換器輸出電容esr和c的監(jiān)測(cè)裝置，包括boost變換器主功率電路1、驅(qū)動(dòng)電路3、顯示單元11、參數(shù)已知的電容7、電流互感隔離放大單元8和信號(hào)處理模塊，所述信號(hào)處理模塊包括功率電路控制單元2、開(kāi)關(guān)頻率fs計(jì)算單元4、占空比d計(jì)算單元5、輸出電壓采樣單元6、電容電流觸發(fā)采樣單元9、電容esr和c計(jì)算單元10；

所述boost變換器主功率電路1包括輸入電壓源vin、開(kāi)關(guān)管qb、續(xù)流二極管db、濾波電感l(wèi)、輸出濾波電容和負(fù)載rl，所述輸出濾波電容包括等效串聯(lián)電阻esr和電容c，其中開(kāi)關(guān)管qb的源極與電壓源vin的負(fù)極連接，續(xù)流二極管db的陽(yáng)極與開(kāi)關(guān)管qb的漏極連接，續(xù)流二極管db的陰極分別與等效串聯(lián)電阻esr、負(fù)載rl連接，濾波電感l(wèi)的一端與續(xù)流二極管db的陽(yáng)極連接，濾波電感l(wèi)的另一端與電壓源vin的正極連接，等效串聯(lián)電阻esr的另一端與電容c的一端連接，電容c的另一端、負(fù)載rl的另一端均與電壓源vin的負(fù)極連接，負(fù)載rl與參數(shù)已知的并聯(lián)輸出電容并聯(lián)，其兩端為輸出平均電壓為vo；

所述功率電路控制單元2的輸入端分別與boost變換器主功率電路1的電壓源vin和輸出平均電壓vo連接，功率電路控制單元2輸出端的pwm信號(hào)分別接入開(kāi)關(guān)頻率fs計(jì)算單元4和占空比d計(jì)算單元5，boost變換器主功率電路1的輸出平均電壓vo接入輸出電壓采樣單元6，電流互感隔離放大單元8和功率電路控制單元2輸出端的pwm信號(hào)均接入電容電流觸發(fā)采樣單元9，開(kāi)關(guān)頻率fs計(jì)算單元4、占空比d計(jì)算單元5、輸出電壓采樣單元6和電容電流觸發(fā)采樣單元9的輸出端均接入電容esr和c計(jì)算單元7，電容esr和c計(jì)算單元10的輸出端接入顯示單元11；所述驅(qū)動(dòng)電路3的輸入端與功率電路控制單元2輸出端的pwm信號(hào)連接，驅(qū)動(dòng)電路3的輸出端接入開(kāi)關(guān)管qb的門極。所述信號(hào)處理模塊為dsp芯片tms320f28335；所述顯示單元11為12864液晶顯示屏。

基于本發(fā)明ccm升壓變換器輸出電容esr和c的監(jiān)測(cè)裝置的監(jiān)測(cè)方法，包括以下步驟：

步驟1，在輸出端并聯(lián)上一個(gè)參數(shù)已知的電容7，在信號(hào)處理模塊中創(chuàng)建功率電路控制單元2、開(kāi)關(guān)頻率fs計(jì)算單元4、占空比d計(jì)算單元5、輸出電壓采樣單元6、電容電流觸發(fā)采樣單元9、電容esr和c計(jì)算單元10；

步驟2，信號(hào)處理模塊的功率電路控制單元2采集boost變換器主功率電路1的輸出平均電壓vo和輸入電壓vin，得到pwm信號(hào)并經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路3驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管qb；

步驟3，功率電路控制單元2輸出的pwm信號(hào)送入開(kāi)關(guān)頻率fs計(jì)算單元4和占空比d計(jì)算單元5，經(jīng)開(kāi)關(guān)頻率fs計(jì)算單元4處理得出變換器當(dāng)前的開(kāi)關(guān)頻率fs，經(jīng)占空比d計(jì)算單元5處理得出變換器當(dāng)前的占空比d；

步驟4，boost變換器主功率電路1的輸出平均電壓vo送入輸出電壓采樣單元6，得到輸出電壓的平均值；

步驟5，功率電路控制單元2輸出的pwm信號(hào)和電流互感隔離放大單元8的電容電流ix送入電容電流觸發(fā)采樣單元9，通過(guò)延時(shí)程序處理對(duì)電容電流等dts/10間隔采樣，得到電容電流的瞬時(shí)值ix(dts)、ix[(1+dts)/10]、ix[(1+dts)/5]、ix[3(1+dts)/10]、ix[2(1+dts)/5]、ix[(1+dts)/2]、ix[3(1+dts)/5]、ix[7(1+dts)/10]、ix[4(1+dts)/5]、ix[9(1+dts)/10]、ix(ts)共11個(gè)值；

步驟6，將得到的開(kāi)關(guān)頻率fs、占空比d、輸出電壓的平均值vo以及電容電流的瞬時(shí)值ix(dts)、ix[(1+dts)/10]、ix[(1+dts)/5]、ix[3(1+dts)/10]、ix[2(1+dts)/5]、ix[(1+dts)/2]、ix[3(1+dts)/5]、ix[7(1+dts)/10]、ix[4(1+dts)/5]、ix[9(1+dts)/10]、ix(ts)送入電容esr和c計(jì)算單元10進(jìn)行曲線擬合和綜合處理，得到boost變換器中輸出濾波電容當(dāng)前等效串聯(lián)電阻esr和電容c的值，具體的：

所述電容esr和c計(jì)算單元(10)曲線擬合方程如下：

求得x1、x2、x3和icx(0)后，所述電容esr和c計(jì)算單元(10)對(duì)擬合曲線進(jìn)行綜合處理，得到boost變換器中輸出濾波電容當(dāng)前等效串聯(lián)電阻esr和電容c的值，具體公式如下：

式中，l為電感的感值，esr為等效串聯(lián)電阻的阻值，c為電容的容值，fs為變換器開(kāi)關(guān)頻率，vo為輸出電壓平均值，d為變換器的占空比，esrx為所并聯(lián)電容的等效串聯(lián)電阻的阻值，cx為所并聯(lián)電容的電容的容值，x1、x2、x3為擬合曲線的參數(shù)。

步驟7，電容esr和c計(jì)算單元(10)將所得的等效串聯(lián)電阻esr和電容c的值送入顯示單元11實(shí)時(shí)顯示。