Ccm升压变换器输出电容esr和c的监测装置及方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于电能变换装置中的监测技术领域，特别是一种CCM升压（Boost)变换 器输出电容ESR和C的监测装置及方法。
【背景技术】
[0002] 由于效率高、体积小等优点，开关电源在日常生产生活中应用十分广泛。一 般而言，为了得到较为稳定的输出电压，必须采用电容有效滤除高频噪声。变换器工 作一段时间之后，电容的容值（Capacitance, C)和等效串联电阻（Equivalent Series Resistance，ESR)会发生变化，与初电容值C和阻值ESR相比，当该变化量较大时，即可认为 该电容已失效，电容的失效将会造成电源和系统的运行故障。降压（Buck)、升压（Boost)、 升降压（Buck-Boost)变换器是三种最基本的开关电源变换器，其他的变换器均可以由这 三种变换器衍变而来。其中，CCM(Continuous Current Mode，电流连续模式）Boost变换器 在直流电动机、PFC功率因数校正电路以及直流电源等领域广泛使用，因此监测CCM Boost 变换器的输出滤波电容的ESR和C，预测其寿命非常重要。
[0003] 获取电解电容ESR和C的方法主要可以分别两大类：一个是离线式检测方法，另一 个是在线式参数监测。目前较成熟的离线式测量方法多为电桥法（如使用LCR测量仪）或 脉宽调制法，但离线式检测方法通常需要观察激励信号下的电容响应，因此必须停止变换 装置的运行，甚至需要拆卸电容器，因而不能反映实际工作环境下的参数变化情况。在线式 监测手段利用变换装置中相关的电压电流信号，在不影响其正常工作的条件下完成电解电 容的参数辨识，实现在线故障预诊断，相较于其它手段更具有实用性，应用范围更广。现如 今大部分电解电容参数监测研究只单独针对ESR或C，监测不够全面。国外学者提出通过高 速采样电容电流和电压纹波，经卡尔曼滤波算法和塔斯汀双线性方法同时在线获得ESR和 C，并建立老化模型分析其剩余寿命，但算法较为复杂。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于提供一种CCM升压变换器输出电容ESR和C的监测装置及方 法，能够实时监测等效串联电阻ESR和电容的容值C的变化，对电解电容和电源的寿命进行 准确预测。
[0005] 实现本发明目的的技术解决方案为：一种CCM升压变换器输出电容ESR和C的监 测装置，包括Boost变换器主功率电路、驱动电路、显示单元和信号处理模块，所述信号处 理模块包括功率电路控制单元、开关频率匕计算单元、占空比D计算单元、输出电压触发采 样单元、电容ESR和C计算单元；
[0006] 所述Boost变换器主功率电路包括输入电压源Vin、开关管Qb、续流二极管D b、滤波 电感L、输出滤波电容和负载&，所述输出滤波电容包括等效串联电阻ESR和电容C，其中滤 波电感L的一端与电压源V in的正极连接，滤波电感L的另一端分别与开关管Q b的漏极及续 流二极管Db的阳极连接，开关管Q b的源极与电压源V ιη的负极连接，续流二极管D b的阴极 与等效串联电阻ESR以及负载&连接，等效串联电阻ESR的另一端与电容C的一端连接，电 容C的另一端及负载&的另一端均与电压源V ιη的负极连接，负载I两端为输出电压V ^
[0007] 所述功率电路控制单元的输入端分别与Boost变换器主功率电路的电压源Vin和 输出电压V。连接，功率电路控制单元输出端的PWM信号分别接入开关频率f s计算单元和占 空比D计算单元，Boost变换器主功率电路的输出电压V。和功率电路控制单元输出端的PffM 信号均接入输出电压触发采样单元，开关频率匕计算单元、占空比D计算单元、输出电压触 发采样单元的输出端均接入电容ESR和C计算单元，电容ESR和C计算单元的输出端接入 显示单元；
[0008] 所述驱动电路的输入端与功率电路控制单元输出端的PffM信号连接，驱动电路的 输出端接入开关管Q b的门极。
[0009] -种CCM升压变换器输出电容ESR和C的监测方法，包括以下步骤：
[0010] 步骤1，在信号处理模块中创建功率电路控制单元、开关频率匕计算单元、占空比 D计算单元、输出电压触发采样单元、电容ESR和电容量C计算单元；
[0011] 步骤2,信号处理模块的功率电路控制单元采集Boost变换器主功率电路的输出 电压平均值V ci和输入电压V ιη，得到PffM信号并经驱动电路驱动开关管Qb;
[0012] 步骤3,功率电路控制单元输出的PffM信号送入开关频率fs计算单元和占空比D 计算单元，经开关频率fs计算单元处理得出变换器当前的开关频率f s，经占空比D计算单 元处理得出变换器当前的占空比D ;
[0013] 步骤4,功率电路控制单元输出的PffM信号和Boost变换器主功率电路的输出电压 V。同时送入输出电压触发采样单元，经输出电压触发采样单元处理得到输出电压的瞬时值 巧(〇)、t(urs/2)、f e.[(i+D)Ts/2]和输出电压的平均值Vc];
[0014] 步骤5,将得到的开关频率fs、占空比D、以及输出电压的瞬时值匕(〇)、K DTs/2)、 ?,,[(I +D)Ts/2]和输出电压的平均值入电容ESR和c计算单元进行综合处理，得到Boost 变换器中输出滤波电容当前等效串联电阻ESR和电容C的值；
[0015] 步骤6,电容ESR和C计算单元将所得的等效串联电阻ESR和电容C的值送入显示 单元实时显示。
[0016] 与现有技术相比，本发明的显著优点为：⑴不影响变换器的正常工作；（2)在线 监测电容的ESR和C值，为电容和电源的寿命预测提供依据；（3)无需电流传感器及其辅助 电路检测电容电流，减小了参数监测的难度。
【附图说明】
[0017] 图1是CCM Boost变换器开关周期中的工作波形。
[0018] 图2是本发明CCM升压变换器输出电容ESR和C的监测方法示意图。
[0019] 其中：Vin-输入电压，Iin-输入电流，i「电感电流，i「电容电流，I。-输出电流， V。-输出电压，V。-输出电压平均值，Qb-开关管，Db-二极管，L-电感，C-输出滤波电容值， ESR-等效串联电阻值，负载，Vgs-开关管Qb的驱动电压，D-占空比，t-时间，T s-变换器 开关周期，fs-变换器开关频率，A 电感电流纹波峰峰值， Vesr-等效串联电阻上的电压， vc-电容上的电压。
【具体实施方式】
[0020] 下面结合附图及具体实施例对本发明作出进一步详细说明。
[0021] 本发明设id 种在线监测工作于电感电流连续模式（Continuous Conduction Mode，CCM)的升压（Boost)变换器输出滤波电容ESR和C的装置及方法。
[0022] 1、理论推导：
[0023] 图1为CCM Boost变换器开关周期中的工作波形。当开关管Qb导通时，二极管Db 截止，电感L两端的电压为Vin，其电感电流紅以V in/L的斜率线性上升。当二极管Db关断时， 电感电流紅通过二极管D b续流，此时电感L两端的电压为V in-V。，电感电流紅以（V in-V。)/ L的斜率下降。由于Boost变换器工作在CCM模式，因此在开关周期结束前，电感电流紅未 下降到零。电感电流1在一个开关周期内的平均值即为输出电流I。。
[0024] 电容电流的表达式为：
[0025]
(1)
[0026] 其中Vin为输入电压，V。为输出电压平均值，L为电感值，f ^Boost变换器的开 关频率，D为开关管的占空比，TsS Boost变换器的开关周期，t为时间，I ^为电感电流在一 个开关周期内的平均值。
[0027] 电容电流、在电容C和等效串联电阻ESR上的压降分别Sv c(t)和Vesr⑴，其波 形如结合图1，等效串联电阻ESR上的电压vESR(t)波形与电容电流、(〇波形形状一致，其 表达式为：
[0028]
(2)
[0029] 电容电压vc(t)与电容电流ic(t)的关系如下式：
[0030]
[0031] 其中Vc(O)为零时刻对应的电容电压。
[0032] 显然，等效串联电阻ESR上的电压直流分量为0,即vESR(t)在开关周期内的平均值 为0,因此，将式（3)在变换器的一个开关周期T s内求平均值，即为输出电压平均值Vci，如下 式所示：
[0033] υ?Ν 丄υυιυουου λ -/·?·? 吁/υ X
[0036] 从附图1可以看出，电容C上的电压为电容电压vc(t)与ESR电压vESR(t)的合成 电压，该电压与电容电流i e、电容C、等效串联电阻ESR等有关，实际电路中，根据检测所得 的纹波电流ic(t)和合成电压v c(t)+vESR(t)的信息即可反推出电容C和等效串联电阻ESR 值。为此，需要重点考察0时刻和DTs/2、（l+D)Ts/2三个时刻点。
[0037] 电容电压vc(t)与等效串联电阻ESR电压vESR(t)的合成电压即为输出电压瞬时值 Vci⑴，根据式（2)、式⑶和式（5)，可得：
[0038]
[0039] 根据式（7)的输出电压表达式，去除直流平均值V。可得输出电压的交流分量 如下：
[0041] 0时刻和DTs/2、（l+D)Ts/2时刻，输出电压的交流分量1?分别为：
[0042] (8)
[0043] ：(9) CN 105158580 A ^ b/6 贝
[0044]
(10)
[0045] 根据式（8)、式（9)和式（10)可得：
[0048] 式中，ESR为等效串联电阻的阻值，C为电容的容值，L为电感值，fs为变换器开关 频率，T s为变换器开关周期，V。为输出电压平均值，D为变换器的占空