一种Buck变换器多元件健康监测方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种Buck变换器多元件健康监测方法及系统，该方法统一的采样信号为：二极管两端电压vM、电感电流iLf、输出电压vo。该方法步骤为：1.根据vM辨识出输入电压Vin、开通振铃频率fon、关断振铃频率foff，结合提取出的Vin与fon评估二极管健康状况，结合提取出的Vin与foff评估MOS管健康状况；2.根据vM、iLf与vo辨识出滤波电感感值Lf以及滤波电感等效串联电阻RLf，结合辨识出的Lf与RLf评估滤波电感的健康状况；3.根据iLf与vo辨识出滤波电容值Cf以及滤波电容等效串联电阻RCf，结合辨识出的Cf与RCf评估滤波电容的健康状况。本发明专利技术不影响变换器的正常工作，为功率开关管、滤波电感以及滤波电容寿命预测提供依据。

A multi element health monitoring method and system for Buck converter

The invention discloses a multi-component health monitoring method and system for a Buck converter. The uniform sampling signal of the method is voltage vM at both ends of the diode, inductance current iLf and output voltage vo. The steps of this method are as follows: 1. Input voltage Vin, on-ring frequency fon and off-ring frequency foff are identified according to vM, and diode health is evaluated by combining extracted Vin and fon, and MOS transistor health is evaluated by combining extracted Vin and foff; 2. Filter inductance inductance value Lf and filter inductance equivalent series connection are identified according to vM, iLf and vo. Resistance RLf, combined with identified Lf and RLf to evaluate the health status of the filter inductor; 3. According to iLf and VO to identify the filter capacitor value Cf and filter capacitor equivalent series resistance RCf, combined with identified Cf and RCf to evaluate the health status of the filter capacitor. The invention does not affect the normal operation of the converter, and provides a basis for predicting the life of the power switch tube, the filter inductance and the filter capacitor.

【技术实现步骤摘要】
一种Buck变换器多元件健康监测方法及系统
本专利技术涉及电能变换装置中的监测
，尤其涉及一种Buck变换器多元件健康监测方法及系统。
技术介绍
系统故障预测与健康管理(PrognosticsandHealthManagement,PHM)是一种全面故障检测、隔离和预测及健康管理技术。通过监测系统的故障特征参数，借助各种推理算法来估计系统自身的健康状况，在系统故障发生前对其故障能尽早监测且能有效预测，准确定位退化或故障部位，并结合各种信息资源给出维修计划，从而实现系统的视情维修和自主式保障，对降低维护费用、保障系统的可靠性与安全性、提高战备完好率和任务成功率具有十分重要的意义。故障预测与健康管理(PHM)的概念于上世纪九十年代由美国提出，经过多年的研究，飞机发动机、直升机旋翼及其传动等机械结构系统的PHM技术已经比较成熟，各国相继开发了相应的PHM系统，并已广泛应用于大、中型民用和军用飞机中。由于失效机理不同，相比于机械系统，电子系统故障预测难度更大，受机械系统尤其是发动机系统PHM方面取得显著进展的鼓舞，为了实现电子设备的故障预测功能，美国国防工业协会在2004年组织召开了第一次电子预测专题研讨会。目前电子设备的PHM研究已取得了一些成果，部分技术已经商业化。根据现有资料，电子电路故障预测方法可分为以下三类：基于性能特征参数监测的寿命预测、基于物理失效模型(PhysicsofFailure，PoF)的实时剩余寿命预测以及基于内建“故障标尺”的健康管理。随着电力电子装置在各领域的应用愈发广泛，急需研究电力电子装置的PHM技术。电力电子变换系统一般由主功率电路、控制电路两大部分组成。由于电力电子主电路工作在高频、高功率的强非线性工作方式，器件性能退化速度远远高于控制电路，主电路故障率远远高于控制电路部分，而后者属于电子电路，其PHM已有较多的研究成果，因此研究电力电子主电路的PHM技术就显得十分重要。电力电子主电路器件内部工作机理与相应的电子器件类似，理论上其故障预测方法可以借鉴电子电路，但是由于主电路器件处理功率大，应力大，寿命远低于电子器件，且受环境应力等影响关系复杂，功率管精确的实效模型短期内难以获得，比较上述三种电子电路的预测方法，基于性能特征参数监测的预测方法相对更适用于主电路的故障预测。因此，有必要研究电力电子主电路的特征参数提取方法。有文献给出了电力电子主电路电解电容、MOSFET、电感、二极管的失效率，指出25℃下电解电容失效率最高为60％，其次是MOSFET为31％，电感为6％、二极管为3％。由于电解电容和开关管失效率明显高于其它器件，目前国内外针对主电路器件的故障预测研究多集中在这两种器件上。然而，当前的研究多是单独针对开关管或电解电容的研究，针对多元件(开关管、电解电容、电感)的故障特征参数统一提取方法还未见报道。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对
技术介绍
中所涉及到的缺陷，提供一种Buck变换器多元件健康监测方法，能够实时监测开关管、滤波电感、滤波电容的健康状况。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：一种Buck变换器多元件健康监测方法，其特征在于，该方法统一的采样信号为：二极管两端电压vM、电感电流iLf、输出电压vo。该方法步骤为：1.根据vM辨识出输入电压Vin、开通振铃频率fon、关断振铃频率foff，结合提取出的Vin与fon评估二极管健康状况，结合提取出的Vin与foff评估MOS管健康状况；2.根据vM、iLf与vo辨识出滤波电感感值Lf以及滤波电感等效串联电阻RLf，结合辨识出的Lf与RLf评估滤波电感的健康状况；3.根据iLf与vo辨识出滤波电容值Cf以及滤波电容等效串联电阻RCf，结合辨识出的Cf与RCf评估滤波电容的健康状况。进一步的，根据权利要求1所述的根据vM辨识出输入电压Vin、开通振铃频率fon、关断振铃频率foff的方法，具体包含以下步骤：步骤A)，根据vM波形特征，提取开通振铃数据以及关断振铃数据：对vM进行高通滤波，将高通滤波后的数据最大值后第一个过零点作为起点，抽出5％开关周期的数据作为开通振铃数据；将vM数据最小值后第一个过零点作为起点，抽出5％开关周期的数据作为关断振铃数据。步骤B)，对提取到的开通振铃数据以及关断振铃数据进行经验模态分解(EMD)，分别获得一系列本征模函数(IntrinsicModeFunction，简称IMF)；步骤C)，分别从获得的开通振铃与关断振铃的IMFs中抽出10个IMF，进行FFT分析,获得10条开通振铃IMFs的频谱Si(on)(f)(i＝1,2,3,…,10)以及关断振铃IMFs的频谱Si(off)(f)(i＝1,2,3,…,10)；步骤D)，确定10条开通振铃IMFs的频谱Si(on)(f)(i＝1,2,3,…,10)中峰值最高的频谱作为开通振铃对应的频谱，该频谱峰值点对应的频率即为开通振铃频率fon；确定10条关断振铃IMFs的频谱Si(on)(f)(i＝1,2,3,…,10)中峰值最高的频谱作为关断振铃对应的频谱，该频谱峰值点对应的频率即为关断振铃频率foff；进一步的，根据权利要求1所述根据vM、iLf与vo辨识出滤波电感感值Lf以及滤波电感等效串联电阻RLf的方法，具体包含以下步骤：步骤A)，建立电感支路的状态方程：步骤B)，将步骤A中得到的状态方程进行离散化处理：其中T为采样周期。根据离散化方程，定义参数矩阵：定义观测矩阵：步骤C)，利用采样得到的vM、iLf与vo数据，根据步骤B建立的模型，利用递推参数辨识算法，进行参数辨识，得到θ的估计值：步骤D)，根据得到的θ估计值，计算所需辨识参数值：进一步的，根据权利要求1所述根据iLf与vo辨识出滤波电容值Cf以及滤波电容等效串联电阻RCf的方法，具体包含以下步骤：步骤A)，建立电感支路以及负载支路的状态方程：步骤B)，将步骤A中得到的状态方程进行离散化处理：其中T为采样周期。根据离散化方程，定义参数矩阵：定义观测矩阵：步骤C)，利用采样得到的iLf与vo数据，根据步骤B建立的模型，利用递推参数辨识算法，进行参数辨识，得到θ的估计值：步骤D)，根据得到的θ估计值，计算所需辨识参数值：有益效果：1.本专利技术基于统一的采样点，可以同时实现开关管、电感、电容的健康监测。2.对于输出电压、电感电流双环控制的Buck电路，本专利技术只需增加二极管两端电压vM的采集，实现电路简单；3.无需打断电路的正常工作，可以实现实时在线监测。附图说明图1为本专利技术Buck电路多元件健康监测系统结构示意图；图2为本专利技术Buck电路振铃频率提取方法流程图。具体实施方式以下将结合附图，对本专利技术的技术方案及有益效果进行详细说明。如图1所示，本专利技术公开了一种Buck变换器多元件健康监测方法，包括开关管健康监测、滤波电感健康监测、滤波电容健康监测。该方法统一的采样信号为：二极管两端电压vM、电感电流iLf、输出电压vo。该方法步骤为：1.根据vM辨识出输入电压Vin、开通振铃频率fon、关断振铃频率foff，结合提取出的Vin与fon评估二极管健康状况，结合提取出的Vin与foff评估MOS管健康状况；2.根据vM、iLf与vo辨识出滤波电感感值Lf以及滤波电感等效本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种Buck变换器多元件健康监测方法，其特征在于，所述方法采集下述信号：二极管两端电压vM、电感电流iLf、输出电压vo；根据vM的偏置电压获取输入电压Vin，根据vM中高频分量，利用EMD与FFT的方法获取开通振铃频率fon、关断振铃频率foff；结合提取出的输入电压Vin与开通振铃频率fon评估二极管健康状况，结合提取出的输入电压Vin与关断振铃频率foff评估MOS管健康状况；根据二极管两端电压vM、电感电流iLf与输出电压vo，利用参数辨识的方法计算出滤波电感感值Lf以及滤波电感等效串联电阻RLf；结合计算得到的滤波电感感值Lf与滤波电感等效串联电阻RLf评估滤波电感的健康状况；根据电感电流iLf与输出电压vo，利用参数辨识的方法计算出滤波电容值Cf以及滤波电容等效串联电阻RCf，结合计算得到的滤波电容值Cf与滤波电容等效串联电阻RCf评估滤波电容的健康状况。

【技术特征摘要】
1.一种Buck变换器多元件健康监测方法，其特征在于，所述方法采集下述信号：二极管两端电压vM、电感电流iLf、输出电压vo；根据vM的偏置电压获取输入电压Vin，根据vM中高频分量，利用EMD与FFT的方法获取开通振铃频率fon、关断振铃频率foff；结合提取出的输入电压Vin与开通振铃频率fon评估二极管健康状况，结合提取出的输入电压Vin与关断振铃频率foff评估MOS管健康状况；根据二极管两端电压vM、电感电流iLf与输出电压vo，利用参数辨识的方法计算出滤波电感感值Lf以及滤波电感等效串联电阻RLf；结合计算得到的滤波电感感值Lf与滤波电感等效串联电阻RLf评估滤波电感的健康状况；根据电感电流iLf与输出电压vo，利用参数辨识的方法计算出滤波电容值Cf以及滤波电容等效串联电阻RCf，结合计算得到的滤波电容值Cf与滤波电容等效串联电阻RCf评估滤波电容的健康状况。2.根据权利要求1所述的一种Buck变换器多元件健康监测方法，其特征在于，所述的根据二极管两端电压vM辨识出输入电压Vin、开通振铃频率fon、关断振铃频率foff的方法，包含以下步骤：步骤1.1)，根据二极管两端电压vM波形特征，提取开通振铃数据以及关断振铃数据：对二极管两端电压vM进行高通滤波，将高通滤波后的数据最大值后第一个过零点作为起点，抽出含有完整周期开关周期的数据作为开通振铃数据；将二极管两端电压vM数据最小值后第一个过零点作为起点，抽出5％开关周期的数据作为关断振铃数据；步骤1.2)，对提取到的开通振铃数据以及关断振铃数据进行经验模态分解EMD，分别获得一系列本征模函数IntrinsicModeFunction，简称IMF；步骤1.3)，分别从获得的开通振铃与关断振铃的IMFs中抽出N个IMF，进行FFT分析,获得N条开通振铃IMFs的频谱Si(on)(f)，i＝1,2,3,…,N，以及N条关断振铃IMFs的频谱Si(off)(f)，i＝1,2,3,…,N；步骤1.4)，确定N条开通振铃IMFs的频谱Si(on)(f)，i＝1,2,3,…,N，中峰值最高的频谱作为开通振铃对应的频谱，该频谱峰值点对应的频率即为开通振铃频率fon；确定N条关断振铃IMFs的频谱Si(on)(f)，i＝1,2,3,…,N，中峰值最高的频谱作为关断振铃对应的频谱，该频谱峰值点对应的频率即为关断振铃频率foff。3.根据权利要求1所述的一种Buck变换器多元件健康监测方法，其特征在于，所述的根据二极管两端电压vM、电感电流iLf与输出电压vo辨识出滤波电感感值Lf...

【专利技术属性】
技术研发人员：任磊，龚春英，姚鑫，高璐，荀本鑫，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32