張波　朱倪瑤

摘 要：針對傳統(tǒng)的電路特征參數(shù)提取方法不能直接提取Buck電路電解電容的特征參數(shù)的問題，提出了基于時域電路分析法和頻域電路分析法的特征參數(shù)提取方法，應(yīng)用于Buck電路的電解電容特征參數(shù)的提取中，并且和Buck電路等效模型參數(shù)提取法進(jìn)行對比。實驗結(jié)果證明，文章所提出的時域電路分析法和頻域電路分析法能對電解電容的參數(shù)進(jìn)行準(zhǔn)確地提取，而且相對誤差較小。

關(guān)鍵詞：Buck電路；特征參數(shù)提?。粫r域分析；頻域分析

中圖分類號：TP206 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）04-0080-04

Abstract： In order to solve the problem that the traditional circuit characteristic parameter extraction method can not directly extract the characteristic parameters of Buck circuit electrolytic capacitance， a method based on time-domain circuit analysis method and frequency-domain circuit analysis method is proposed to extract the characteristic parameters. It is applied to the extraction of characteristic parameters of electrolytic capacitance of Buck circuit and compared with the method of extracting equivalent model parameters of Buck circuit. The experimental results show that the proposed time-domain circuit analysis and frequency-domain circuit analysis can accurately extract the parameters of the electrolytic capacitance， and the relative error is small.

Keywords： Buck circuit； feature parameter extraction； time domain analysis； frequency domain analysis

引言

20世紀(jì)80年代，計算機全面實現(xiàn)了開關(guān)電源化，率先完成計算機的電源換代。20世紀(jì)90年代，開關(guān)電源在電子、電氣設(shè)備等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，開關(guān)電源技術(shù)進(jìn)入了快速發(fā)展階段，本文選擇一種典型的降壓電路——Buck電路作為特征參數(shù)提取的研究對象[1]，如圖1所示。

1 電解電容故障機理及特征參數(shù)

電解電容等效機理：

在環(huán)境溫度為25℃時，Buck電路的元器件失效率分布如圖2所示[2，3]，由圖可知，電解電容是Buck中故障發(fā)生概率最大的元器件，所以對電解電容進(jìn)行分析是非常重要的，可以用等效串聯(lián)電阻來表征電容的退化情況。

通常情況下，電容起到的是儲能的作用，同時對輸出電壓起濾波作用[4]。在現(xiàn)實的工作情況下，不存在理想狀況的電容，因此通過電路等效模型來表示，如圖3所示。

ESR為電容器的等效串聯(lián)電阻，C表示理想狀況下的電容值也稱為等效串聯(lián)電容，L為引線電感，R為并聯(lián)電阻，表示電解液和兩極間的泄漏損耗。電解電容工作頻率較低，可以忽略電感L，同時電容的泄漏電流很小，電阻R也可以忽略，最終可以簡化為電容C和等效電阻ESR的串聯(lián)，如圖4所示，所以將ESR作為表征電容退化狀態(tài)的參數(shù)[5]。

2 特征參數(shù)提取方法

2.1 時域分析法

3 仿真結(jié)果分析

通過PSPICE進(jìn)行電路仿真，對其進(jìn)行模擬，對上述三種方法進(jìn)行驗證對比。

3.1 Buck電路及參數(shù)設(shè)置

在Buck電路中， MOSFET管選用IRF151，頻率f=50kHz，占空比為D=0.22，電感L=43？滋H，二極管導(dǎo)通壓降為0.5V，電解電容的電容值C=220？滋F，負(fù)載RL=1.25？贅。經(jīng)過計算得知，此降壓電路實現(xiàn)輸入為25V，輸出為5V的DC-DC變換。

將圖6中的隨時間變化的理論ESR看成現(xiàn)實值，在PSPICE中對其進(jìn)行設(shè)置并仿真，模擬現(xiàn)實情況中電容的參數(shù)狀態(tài)變化。

3.2 基于時域分析法的仿真結(jié)果

采用時域分析法時，監(jiān)測輸出電壓u0和電容上的電流ic，接著計算ESR，結(jié)果如表1所示。

由上面的數(shù)據(jù)可得，時域法計算得的ESR值的誤差均？燮1m？贅，相對誤差？燮0.2%，說明此方法是可行的。

3.3 基于頻域方法的仿真結(jié)果

選用FFT頻域分析的方法，就要檢測提取u0、ic的值，得到u0的交流成分uof，對uof、ic進(jìn)行FFT處理。經(jīng)過FFT變換，實驗結(jié)果證明在f=50Hz或者其整數(shù)倍時，uof、ic信號是最強烈的，同時幅值也是最大的[8]。采用本文介紹的方法，得到ESR值如表2所示。

由表2的結(jié)果可知，通過FFT頻域的方法計算ESR的誤差也比較小，相對誤差都控制在0.3%之內(nèi)，證明利用FFT頻域的方法是可行的。

3.4 基于紋波電壓法的仿真結(jié)果

在Buck電路處于工作狀態(tài)時，可以得到其開關(guān)導(dǎo)通和截止時兩種狀態(tài)的電路等效圖如下：endprint

當(dāng)Buck電路到達(dá)穩(wěn)定的工作狀態(tài)時，兩個階段的電路有UO=UO1=UO2，？駐i=？駐i1=？駐i2。

3.5 實驗結(jié)果的分析

綜上所示，通過輸出電壓、紋波電壓？駐u，紋波電流？駐i，計算ESR，結(jié)果如表3所示。

由表3可知，通用紋波電壓法得到的結(jié)果誤差在≤4m？贅，相對誤差最大達(dá)到0.547%，也符合計算的要求。

4 結(jié)束語

從上面三種方法對Buck電路的電解電容ESR的計算結(jié)果來看，時域分析方法思路比較明確，但是需要檢測的信號比較多。頻域法不需要詳細(xì)地研究等效電路，簡化了求解思想，但是計算的結(jié)果誤差較大。紋波電壓的方法需要檢測的數(shù)據(jù)比較少，只需檢測輸出電壓，就可以實現(xiàn)提取ESR。

對實驗結(jié)果分析對比，在三種方法當(dāng)中，時域法相對誤差最小的，F(xiàn)FT頻域法居其次，紋波電壓法最大。

參考文獻(xiàn)：

[1]An Q T， Sun L Z， Zhao K， et al. Switching function model-based fast-diagnostic method of open-switch faults in inverters without sensors[J]. Power Electronics， IEEE Transactions on，2011，26（1）：119-126.

[2]Zheng-Yu S， Yu-Dong L， Tao N， et al. The real-time fault diagnosis of electrolytic filter capacitors in switching mode power supply[C]//Physical and Failure Analysis of Integrated Circuits （IPFA），2013 20th IEEE International Symposium on the. IEEE， 2013：662-665.

[3]Nguyen T H， Lee D C. Deterioration monitoring of dc-link capacitors in ac machine drives by current injection[J]. Power Electronics， IEEE Transactions on， 2015，30（3）：1126-1130.

[4]Rigamonti M， Baraldi P， Zio E， et al. A Particle Filtering-Based Approach for the Prediction of the Remaining Useful Life of an Aluminum Electrolytic Capacitor[C]//at 2nd European Conference of the Prognostics and Health Management Society （PHME），2014：8-10.

[5]孫鳳艷，王友仁，崔江，等.功率變換電路電解電容器故障預(yù)測方法研究[J].電子測量與儀器學(xué)報，2010（1）：29-33.

[6]徐德洪，程肇基.用傅里葉分析法診斷電力電子電路的故障[J].浙江大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，1994，28（6）：666-674.

[7]劉樹林，劉健，寇蕾，等.BuckDC/DC變換器的輸出紋波電壓分析及其應(yīng)用[J].電工技術(shù)學(xué)報，2007，22（2）：91-97.

[8]肖芳，周揚.PWM驅(qū)動電機系統(tǒng)傳導(dǎo)干擾等效電路模型[J].變頻器世界，2011（1）：105-109.endprint