[发明专利]一种在线测量与预测开关电源电容器ESR值的方法

说明书

技术领域

本发明属于电气状态监测与故障诊断工程领域，涉及一种在线测量与预测开关电源电容器ESR（等效串联电阻）值的方法。

背景技术

开关电源的故障可以分为硬故障和软故障。硬故障是指导致电路拓扑发生变化的故障，软故障指由于电路中器件参数（电阻值、电感值、电容值及开关参数等） 偏离正常值而导致的故障。软故障会降低系统的工作性能和安全性，影响输出性能指标，严重的会引发功率开关器件短路或开路，导致硬故障，从而造成严重的经济损失。目前在工程实践中电解电容器是开关电源电路中失效率最大的器件，因此对电容器的软故障特征参数进行提取并预测其未来值，是开关电源的故障预测与健康管理（Prognostics and Health Management，PHM）领域的技术热点。

众多研究成果表明，电解电容器等效电路模型中的等效串联电阻（Equivalent Series Resistance，ESR）是衡量电容器软故障特征的最好参数。目前对开关电源电容器ESR值的测量一般是采用离线式操作，测量时将开关电源停止工作，用LCR测试仪或电容器ESR专用表来测量电容器ESR值。这种测量一般是在产品出厂前用来进行质量检验，或者是在产品使用过程中不能正常工作时用来进行故障诊断。离线测量得到的电容器ESR值是静态的、单一的数据，对器件级、系统级故障诊断有参考价值，但是对故障预测的作用不大。若采用离线测量进行故障预测，则必须在多个不同的时刻点进行离线测量，得到一组数据，再利用各种预测算法对下一个时刻点的ESR值进行预测。因此离线测量技术带来的是离线预测技术。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术存在的上述缺陷，提供一种在线测量与预测开关电源电容器ESR值的方法，该方法可以用于在线预测开关电源电容器的软故障、估计电容器的剩余寿命，同时也可以用于实时和非实时测试系统。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案为：

一种在线测量与预测开关电源电容器ESR值的方法，包括以下步骤：

1）采集开关电源电路的电信号，所述电信号为开关电源电路的可测试节点电压或者支路电流信号；

2）计算所述电信号的时域积分值、频域指定谐波分量幅值及相位；

3）将所述时域积分值、频域指定谐波分量幅值及相位分别送入MATLAB/Simulink动态测量模型器中，计算得到两个相应的电容器ESR值，再由MATLAB/Simulink动态测量模型器输出电容器ESR实际值；

4）将所述电容器ESR至少六个时刻点实际值送入MATLAB/Simulink动态预测模型器中，由MATLAB/Simulink动态预测模型器输出电容器ESR下一个时刻点预测值。

在所述步骤2）中，计算所述电信号的频域指定谐波分量幅值及相位，采用基2时析型快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，FFT）。

在所述步骤3）中，由时域积分值计算电容器ESR值的公式为：

；

其中、、为某个初始时刻、初始时刻后任意两个时刻与的电容器端电压值，、、为某个初始时刻、初始时刻后任意两个时刻与的电容器支路电流值。在MATLAB环境下，利用Simulink模块库中的Demux（信号分解）、Step（阶跃）、Enabled Subsystem（使能子系统）、Triggerred Subsystem（触发子系统）、Integrator（积分）、Sum（求和）、Product（乘法）、Divide（除法）、Display（结果显示窗口）等模块来构造动态测量模型器，可方便地实现时域计算公式。

    在所述步骤3）中，由频域指定谐波分量幅值及相位计算电容器ESR值的公式为：

；

其中为电容器端电压开关频率下谐波分量幅值，为对应的相位；为电容器支路电流开关频率下谐波分量幅值，为对应的相位。在MATLAB环境下，利用SimPowerSystem模块库中的Fourier（傅里叶分析），Simulink模块库中的Demux（信号分解）、Step（阶跃）、Triggerred Subsystem（触发子系统）、Sum（求和）、Product（乘法）、Divide（除法）、Trigonometric Function（三角函数）、Display（结果显示窗口）等模块来构造动态测量模型器，可方便地实现频域计算公式。