升壓pfc變換器輸出電容esr和c的監(jiān)測(cè)裝置及方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種升壓PFC變換器輸出電容ESR和C的監(jiān)測(cè)裝置及方法。該裝置包括Boost?PFC變換器主功率電路、DC/DC變換器單元、功率電路控制單元、驅(qū)動(dòng)電路、輸出功率Po采樣單元、觸發(fā)脈沖生成單元、直流母線電壓vB觸發(fā)采樣單元、電容ESR和電容量C計(jì)算單元、顯示單元；觸發(fā)脈沖生成單元監(jiān)測(cè)整流后的輸入電壓得到采樣觸發(fā)脈沖；直流母線電壓觸發(fā)采樣單元監(jiān)測(cè)電壓平均值，并根據(jù)觸發(fā)脈沖采樣得到電壓的瞬時(shí)值；輸出功率采樣單元監(jiān)測(cè)變換器的輸出功率；將上述數(shù)據(jù)送入電容ESR和電容量C計(jì)算單元，得到升壓PFC變換器中輸出濾波電容當(dāng)前ESR和C的值并通過(guò)顯示單元實(shí)時(shí)顯示。本發(fā)明在線監(jiān)測(cè)電容的ESR和C值，不影響變換器的正常工作，為電容和電源的壽命預(yù)測(cè)提供依據(jù)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】升壓PFC變換器輸出電容ESR和C的監(jiān)測(cè)裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于電能變換裝置中的監(jiān)測(cè)【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種升壓PFC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)】
[0002]一般而言，大多數(shù)電子設(shè)備運(yùn)行時(shí)所需要的是一定電壓和功率的直流電，而多數(shù)情況下，可供直接取電的市電是正弦交流電壓，一般為220V/50HZ (航空領(lǐng)域?yàn)?15V/400Hz)。因此，需要將交流電經(jīng)過(guò)一定的變換轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，以滿足電子設(shè)備的需要。其中，功率因數(shù)校正(Power Factor Correction, PFC)變換器，是采用電力電子電路，使輸入電流波形呈正弦，并且與輸入電壓同相位，以減小對(duì)電網(wǎng)的諧波污染。與此同時(shí)，它還使輸出電壓相對(duì)穩(wěn)定，為后級(jí)直流變換器提供相對(duì)穩(wěn)定的直流輸入電壓。
[0003]在PFC變換器中，由于輸入功率是脈動(dòng)的，而輸出功率是平直的，因此需要儲(chǔ)能電容來(lái)平衡瞬時(shí)輸入功率和輸出功率。由于該功率脈動(dòng)的頻率較低，一般是輸入電壓頻率的2倍，因此所需的儲(chǔ)能電容容值較大，同樣定額的電壓和容值情況下，電解電容的體積和成本較其他種類(lèi)的電容而言相對(duì)較小，所以通常選用電解電容作為儲(chǔ)能電容，
[0004]電解電容在使用過(guò)程中，隨著電解液的揮發(fā)，電容值C會(huì)逐漸降低，而等效串聯(lián)電阻(Equivalent Series Resistance, ESR)會(huì)逐漸增大,一般而言，同樣溫度條件下，當(dāng)電解電容的容值減小為初始值的80%，或ESR增大為初始值的2-3倍時(shí)，即可認(rèn)為該電容已失效，電解電容是電源中壽命最短的元器件。作為電子設(shè)備系統(tǒng)中重要的組成部分，電容的短壽和失效會(huì)造成非常嚴(yán)重的后果，大致如下:1.中斷整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，造成巨大的不良影響和損失，尤其是在生產(chǎn)運(yùn)輸、航空航天、軍事國(guó)防等領(lǐng)域；2.電容的失效會(huì)產(chǎn)生“連鎖反應(yīng)”，引起電源中其他元器件的損壞；3.更換元器件或修理電源費(fèi)時(shí)費(fèi)力，既影響生產(chǎn)生活效率，也提高了成本；4.多數(shù)時(shí)候，僅僅由于電源的失效，就將整個(gè)電子設(shè)備重新更換或丟棄，不僅造成巨大的成本提高和浪費(fèi)，更產(chǎn)生了電子垃圾，造成環(huán)境污染。在各種PFC變換器中，單相Boost PFC變換器使用最為廣泛，因此監(jiān)測(cè)Boost PFC變換器的輸出濾波電容的ESR和C，預(yù)測(cè)其壽命非常重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種升壓PFC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)。
[0006]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為:一種升壓PFC變換器輸出電容ESR和C的監(jiān)測(cè)裝置，包括Boost PFC變換器主功率電路、DC/DC變換器單元、驅(qū)動(dòng)電路、顯示單元和信號(hào)處理模塊，所述信號(hào)處理模塊包括功率電路控制單元、輸出功率P。采樣單元、觸發(fā)脈沖生成單元、直流母線電壓vB觸發(fā)采樣單元、電容ESR和電容量C計(jì)算單元；
[0007]所述Boost PFC變換器主功率電路包括輸入交流電壓源vin、EMI濾波器、整流橋RB、電感Lb、開(kāi)關(guān)管Qb、輸出二極管Db、輸出濾波電容Cb,所述輸出濾波電容Cb等效為電阻ESR和電容C串聯(lián)，其中輸入電壓源Vin與EMI濾波器的輸入端口連接，EMI濾波器的輸出端口與整流橋RB的輸入端口連接，整流橋RB的輸出負(fù)極為參考電位零點(diǎn)，電感Lb的一端與整流橋RB的輸出正極連接，電感Lb的另一端分別接入輸出二極管Db的陽(yáng)極和開(kāi)關(guān)管Qb的漏極，輸出二極管Db的陰極與輸出濾波電容Cb的陽(yáng)極連接，開(kāi)關(guān)管Qb的源極和輸出濾波電容Cb的陰極均連接到參考電位零點(diǎn)；
[0008]所述DC/DC變換器單元包括DC/DC變換器和負(fù)載電阻Rw，DC/DC變換器的輸入端與輸出濾波電容Cb的兩端相連接，DC/DC變換器的輸出端與負(fù)載電阻Ru的兩端連接；
[0009]所述功率電路控制單元的輸入端分別與Boost PFC變換器主功率電路中整流后的輸入電壓Vg、直流母線電壓Vb和監(jiān)測(cè)電感電流^的電流傳感器輸出端相連接，功率電路控制單元的輸出端接入驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)電路的輸出端接入開(kāi)關(guān)管Qb的門(mén)極；B00st PFC變換器主功率電路中整流后的輸入電壓\接入觸發(fā)脈沖生成單元，直流母線電壓vB和觸發(fā)脈沖生成單元輸出端的采樣觸發(fā)信號(hào)均接入直流母線電壓Vb觸發(fā)采樣單元，DC/DC變換器單元的輸出電流10和輸出電壓V。均接入輸出功率P。采樣單元，直流母線電壓vB觸發(fā)采樣單元和輸出功率P。采樣單元(5)的輸出端均接入電容ESR和電容量C計(jì)算單元，電容ESR和電容量C計(jì)算單元的輸出端接入顯示單元。所述信號(hào)處理模塊為DSP或單片機(jī)，所述顯示單元為1602液晶顯示屏。
[0010]一種升壓PFC變換器輸出電容ESR和C的監(jiān)測(cè)方法，包括以下步驟:
[0011]步驟1，在信號(hào)處理模塊中創(chuàng)建功率電路控制單元、輸出功率P。采樣單元、觸發(fā)脈沖生成單元、直流母線電壓vB觸發(fā)采樣單元、電容ESR和電容量C計(jì)算單元；
[0012]步驟2，功率電路控制單元根據(jù)Boost PFC變換器主功率電路整流后的輸入電壓vg、直流母線電壓Vb和電感電流L，得到脈寬調(diào)制信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路⑷驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管Qb;`[0013]步驟3，Boost PFC變換器主功率電路整流后的輸入電壓Vg接入觸發(fā)脈沖生成單元，得到采樣觸發(fā)脈沖；
[0014]步驟4，觸發(fā)脈沖生成單元輸出的采樣觸發(fā)信號(hào)和Boost PFC變換器主功率電路的直流母線電壓Vb同時(shí)送入直流母線電壓Vb觸發(fā)采樣單元，得到直流母線電壓的平均值Vb和瞬時(shí)值 Vb(O)、Vb (JI /4);
[0015]步驟5，DC/DC變換器單元的輸出電流I。和輸出電壓V。送入輸出功率P。采樣單元，處理得到輸出功率P。；
[0016]步驟6，將得到的輸出功率P。以及直流母線電壓的平均值Vb和瞬時(shí)值Vb(O)、VB(JI/4)送入電容ESR和電容量C計(jì)算單元進(jìn)行處理，得到Boost PFC變換器中輸出濾波電容當(dāng)前等效串聯(lián)電阻ESR和電容量C的值；
[0017]步驟7，電容ESR和電容量C計(jì)算單元將所得的等效串聯(lián)電阻ESR和電容量C的值送入顯示單元實(shí)時(shí)顯示。
[0018]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)為:(1)不影響變換器的正常工作；(2)在線監(jiān)測(cè)電容的ESR和C值，為電容和電源的壽命預(yù)測(cè)提供依據(jù)；(3)無(wú)需電流傳感器及其輔助電路監(jiān)測(cè)電容電流，減小了參數(shù)監(jiān)測(cè)的難度。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】[0019]圖1是Boost PFC變換器開(kāi)關(guān)周期中的工作波形。
[0020]圖2是本發(fā)明Boost PFC變換器輸出電容ESR和C的監(jiān)測(cè)方法示意圖。
[0021]其中:vin-輸入交流電壓，Vg-整流后的輸入電壓，if電感電流，ic_電容電流，Vb-直流母線電壓平均值，Vb-直流母線電壓瞬時(shí)值，I。-輸出電流，V。-輸出電壓，Qb-開(kāi)關(guān)管，Db-二極管，Lb-電感，C-輸出濾波電容值，ESR-等效串聯(lián)電阻值，Rw-負(fù)載，t-時(shí)間，Tline-變換器工頻周期，Vesk-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】
[0022]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。
[0023]本發(fā)明設(shè)計(jì)了在線監(jiān)測(cè)Boost PFC變換器輸出濾波電容ESR和C的裝置及方法。
[0024]1、理論推導(dǎo):
[0025]圖1給出了 Boost PFC變換器工頻周期中的工作波形。
[0026]定義輸入交流電壓Vin的表達(dá)式為:
[0027]vin (t) = VmSinwt(1)
[0028]若功率因數(shù)為1，則輸入交流電流iin的表達(dá)式為:
[0029]iin(t) = ImSinwt(2)
[0030]其中Vm為輸入交流電壓的幅值，Iffl為輸入交流電流的幅值，《為輸入交流電壓的
角頻率。
[0031]由式⑴和⑵可得輸入功率Pin表達(dá)式如下:
[0032]pin(t) = vin(t) ? iin(t) = VmImSin2Wt (3)
[0033]假設(shè)變換器的效率為100%，則輸出功率P。等于輸入功率的平均值Pin，即
[0034]
【權(quán)利要求】
1.一種升壓PFC變換器輸出濾波電容ESR和C的監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，包括BoostPFC變換器主功率電路(I)、DC/DC變換器單元(2)、驅(qū)動(dòng)電路(4)、顯示單元(9)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(3)、輸出功率P。采樣單元(5)、觸發(fā)脈沖生成單元(6)、直流母線電壓vB觸發(fā)采樣單元(7)、電容ESR和電容量C計(jì)算單元⑶； 所述Boost PFC變換器主功率電路(I)包括輸入交流電壓源vin、EMI濾波器、整流橋RB、電感Lb、開(kāi)關(guān)管Qb、輸出二極管Db、輸出濾波電容Cb,所述輸出濾波電容Cb等效為電阻ESR和電容C串聯(lián)，其中輸入電壓源Vin與EMI濾波器的輸入端口連接，EMI濾波器的輸出端口與整流橋RB的輸入端口連接，整流橋RB的輸出負(fù)極為參考電位零點(diǎn)，電感Lb的一端與整流橋RB的輸出正極連接，電感Lb的另一端分別接入輸出二極管Db的陽(yáng)極和開(kāi)關(guān)管Qb的漏極，輸出二極管Db的陰極與輸出濾波電容Cb的陽(yáng)極連接，開(kāi)關(guān)管Qb的源極和輸出濾波電容Cb的陰極均連接到參考電位零點(diǎn)； 所述DC/DC變換器單元⑵包括DC/DC變換器和負(fù)載電阻Rw，DC/DC變換器的輸入端與輸出濾波電容Cb的兩端相連接，DC/DC變換器的輸出端與負(fù)載電阻Ru的兩端連接； 所述功率電路控制單元⑶的輸入端分別與Boost PFC變換器主功率電路(I)中整流后的輸入電壓Vg、直流母線電壓vB和監(jiān)測(cè)電感電流込的電流傳感器輸出端相連接，功率電路控制單元(3)的輸出端接入驅(qū)動(dòng)電路(4)，驅(qū)動(dòng)電路(4)的輸出端接入開(kāi)關(guān)管Qb的門(mén)極；Boost PFC變換器主功率電路(I)中整流后的輸入電壓Vg接入觸發(fā)脈沖生成單元(6)，直流母線電壓vB和觸發(fā)脈沖生成單元(6)輸出端的采樣觸發(fā)信號(hào)均接入直流母線電壓vB觸發(fā)采樣單元(7)，DC/DC變換器單元⑵的輸出電流10和輸出電壓V。均接入輸出功率P。采樣單元(5)，直流母線電壓vB觸發(fā)采樣單元(7)和輸出功率P。采樣單元(5)的輸出端均接入電容ESR和電容量C計(jì)算單元(8)，電容ESR和電容量C計(jì)算單元⑶的輸出端接入顯示單元(9)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的升壓PFC變換器輸出濾波電容ESR和C的監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，所述信號(hào)處理模塊為DSP或單片機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的升壓PFC變換器輸出濾波電容ESR和C的監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于，所述顯示單元(9)為1602液晶顯示屏。
4.一種升壓PFC變換器輸出濾波電容ESR和C的監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，包括以下步驟:步驟1，在信號(hào)處理模塊中創(chuàng)建功率電路控制單元(3)、輸出功率P。采樣單元(5)、觸發(fā)脈沖生成單元(6)、直流母線電壓vB觸發(fā)采樣單元(7)、電容ESR和電容量C計(jì)算單元⑶；步驟2，功率電路控制單元(3)根據(jù)Boost PFC變換器主功率電路(I)整流后的輸入電壓vg、直流母線電壓vB和電感電流L，得到脈寬調(diào)制信號(hào)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路⑷驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管Qb ；步驟3，Boost PFC變換器主功率電路(I)整流后的輸入電壓Vg接入觸發(fā)脈沖生成單元(6)，得到采樣觸發(fā)脈沖； 步驟4，觸發(fā)脈沖生成單元(6)輸出的采樣觸發(fā)信號(hào)和Boost PFC變換器主功率電路(I)的直流母線電壓vB同時(shí)送入直流母線電壓vB觸發(fā)采樣單元(7)，得到直流母線電壓的平均值Vb和瞬時(shí)值vB (0)、vB (/4)； 步驟5，DC/DC變換器單元⑵的輸出電流10和輸出電壓V。送入輸出功率P。采樣單元(5)，處理得到輸出功率P。；步驟6，將得到的輸出功率P。以及直流母線電壓的平均值Vb和瞬時(shí)值Vb(O)、vB( /4)送入電容ESR和電容量C計(jì)算單元(8)進(jìn)行處理，得到Boost PFC變換器中輸出濾波電容當(dāng)前等效串聯(lián)電阻ESR和電容量C的值； 步驟7，電容ESR和電容量C計(jì)算單元⑶將所得的等效串聯(lián)電阻ESR和電容量C的值送入顯示單元(9)實(shí)時(shí)顯示。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的升壓PFC變換器輸出濾波電容ESR和C的監(jiān)測(cè)方法，其特征在于，步驟6中所述電容ESR和電容量C計(jì)算單元(8)處理的公式如下:
【文檔編號(hào)】G01R31/40GK103605084SQ201310563563
【公開(kāi)日】2014年2月26日 申請(qǐng)日期:2013年11月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月14日
【發(fā)明者】姚凱, 唐偉杰, 呂建國(guó), 孟慶賽, 付曉勇, 畢曉鵬, 李強(qiáng) 申請(qǐng)人:南京理工大學(xué)