CN113872429B - Pfc变换器输出电容值和谐波监测装置及方法 - Google Patents

Pfc变换器输出电容值和谐波监测装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了PFC变换器输出电容值和谐波监测装置及方法。所述变换器为PFC变换器，适用于任何拓扑。使用这种方法可以测量出PFC变换器输入电流中含有的谐波次数、含量以及输出电容容值C。该装置包括PFC主电路、纹波隔离放大电路、触发电路、信号处理模块和显示模块。方法为：首先由触发电路确定采样时刻，然后采样输出电压纹波，在信号处理模块中进行傅里叶分解，确定输入电流中的谐波次数，计算得到各次谐波含量以及输出电容容值C并实时显示。本发明所提供的方案能够在主电路不停机的情况下对输出电容容值C和输入电流谐波进行监测并显示，简单且易实现，为电容和电源的寿命预测提供了依据。

Description

PFC变换器输出电容值和谐波监测装置及方法
技术领域
本发明涉及电能变换装置中的监测技术领域，尤其是涉及PFC变换器输出电容值和谐波监测装置及方法。
背景技术
PFC变换器中常使用铝电解电容作为输出电容平衡输入输出功率、抑制输出电压纹波，然而铝电解电容是变换器中最容易失效的器件。铝电解电容的失效通常表现为容值C的减小和ESR的增大。当输出电容老化时会导致输出电压的纹波增大，影响变换器性能，增大损耗，所以在PFC变换器中对铝电解电容的参数进行监测具有非常重要的意义。
目前，针对电容监测技术的研究主要分为两大类：离线式监测和在线/准在线式监测。离线式监测通过把激励信号加在待测电容两端，测量产生的响应来计算电容参数，其具有简单可靠的优点，但该方法需要让设备停机，有时甚至需要拆下待测电容，因此，该方法实用性不高。和离线式监测相比，在线式监测可以在电路正常工作的情况下，通过增加传感器测量电容工作时的电压、电流等信息，进而计算电容参数，这类方法能够准确、实时地监测电容工作状态，但其成本过高，增加的传感器还会破坏电路原有结构，影响电路性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术的缺陷，提供PFC变换器输出电容值和谐波监测装置及方法。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
PFC变换器输出电容值和谐波监测装置及方法，所述变换器为任意电路拓扑，任意工作模式的输入电流含有谐波的PFC变换器，包括PFC主电路(1)、纹波隔离放大电路(2)、触发电路(3)、信号处理模块(4)和显示单元(5)，其中：
所述纹波隔离放大电路(2)的输入端与PFC主电路(1)的输出电压端连接，纹波隔离放大电路(2)的输出端与信号处理模块(4)的输入端连接；触发电路(3)输入端和PFC主电路(1)的输入端连接，触发电路(3)电路输出端和信号处理模块(4)的输入端连接；信号处理模块(4)的输出端与显示单元(5)的输入端连接。
进一步地，所述PFC主电路(1)包括输入电压源vin，EMI滤波器，整流桥RB，PFC变换器，输出电容C和负载电阻RL，其中：
所述输入电压源vin的正极与EMI滤波器的一端连接，另一端连接；触发电路(3)电路输入端，输入电压源vin的负极为参考点位零点GND；EMI滤波器的输出端连接整流桥RB的输入端；整流桥RB的输出端接入PFC变换器，PFC变换器的输出端连接输出电容C和负载电阻RL的一端连接，输出电容C的另一端为参考电位零点GND；负载电阻RL的另一端为参考电位零点GND。
进一步地，所述纹波隔离放大电路(2)包括第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1、第一电压互感器T1、第三电阻R3、第四电阻R4、第二电容C2、第一运算放大器amp1，第五电阻R5、第六电阻R6、第三电容C3、第七电阻R7、第八电阻R8、第一偏置电源Voffset。其中：
所述第一电阻R1一端与PFC主电路(1)的输出电压连接，另一端分别与第二电阻R2、第一电容C1连接；第二电阻R2的另一端连接参考电位零点GND；第一电容C1的另一端连接第一电压互感器T1的原边同名端；第一电压互感器T1的原边另一端连接参考电位零点GND，第一电压互感器T1的副边同名端连接模拟参考电位零点AGND，第一电压互感器T1的副边另一端连接第三电阻R3和第四电阻R4的一端；第三电阻R3的另一端连接模拟参考电位零点AGND；第四电阻R4的另一端连接第二电容C2和第一运算放大器amp1的同相输入端；第二电容C2的另一端连接模拟参考电位零点；第一运算放大器amp1的反相输入端分别连接第五电阻R5、第六电阻R6和第三电容C3的一端，第一运算放大器amp1的输出端连接第六电阻R6和第三电容C3的另一端以及第七电阻R7的一端；第五电阻R5的另一端连接模拟参考电位零点AGND；第七电阻R7的另一端连接第八电阻R8的一端和信号处理模块(4)的输入端；第八电阻R8的另一端连接第一偏置电源Voffset的一端；第一偏置电源Voffset的另一端连接模拟参考电位零点AGND。
进一步地，所述触发电路(3)包括第九电阻R9、第二电压互感器T2、第十电阻R10、第二运算放器amp2、第十一电阻R11、第四电容C4、第一比较器comp1，其中：
所述第九电阻一端连接输入电压源vin，另一端连接第二电压互感器T2的原边同名端；第二电压互感器T2的原边的另一端连接参考电位零点GND，第二电压互感器T2的副边同名端连接模拟参考电位零点AGND，第二电压互感器T2的副边另一端分别连接第十电阻R10和第二运算放大器amp2的反相输入端；第二运算放大器的同相输入端连接模拟参考电位零点AGND，输出端分别连接第十电阻R10的另一端、第十一电阻R11的一端；第十一电阻R11的另一端分别连接第四电容C4的一端和第一比较器comp1的同相输入端；第四电容C4的另一端连接模拟参考电位零点AGND；第一比较器comp1的反相输入端连接模拟参考电位零点AGND，输出端连接信号处理模块(4)的输入端。
进一步地，所述信号处理模块为DSP芯片TMS320F28335。
进一步地，所述显示单元为1602液晶显示屏。
PFC变换器输出电容值和谐波监测装置及方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，由触发电路得到输入电压的零时刻作为输出电压纹波的采样时刻；
步骤2，信号处理模块中的脉冲捕获单元捕获到触发电路的触发信号后，设置合适的采样频率对输出电压纹波进行采样，在信号处理模块中对采样的数据进行傅里叶分解，确定输入电流中含有的谐波次数；
步骤3，确定谐波次数之后根据理论推导的谐波计算公式以及输出电容的容值的计算公式，在信号处理模块中计算得到谐波含量以及输出电容的容值C；
步骤4，将得到的输出电容容值C和各次谐波的含量送入显示单元实时显示。
所述步骤3中所述谐波计算公式以及输出电容的容值的计算公式：
式中，为各次谐波的标幺值，C为输出电容容值，Po为输出功率，Vo为输出电压，ω为100π，ai为输出电压纹波的各次谐波的值。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1.能够在主电路不停机的情况下对输出电容容值和谐波进行监测；
2.无需电流传感器，方法简单容易实现，为电容和电源的寿命预测提供了依据。
附图说明
图1是本发明PFC变换器输出电容值和谐波监测装置及方法的结构示意图。
图2是本发明中纹波隔离放大电路的结构示意图。
图3是本发明中触发电路的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。
1理论推导
当输入功率pin大于输出功率Po时，输出电容储存能量；当输入功率pin小于输出功率Po时，输出电容释放能量给负载。
输入电压、输入电流的表达式如下：
vin＝Vm sinωt (1)
其中I2n+1是各奇次谐波的幅值。
瞬时输入功率pin的表达式:
母线电容用来平衡输入输出能量，由于ESR上的损耗很小，可以忽略，所以可以得到母线电容的功率pC。
电容上存储的能量表达式为：
其中vC(0)是电容的初始电压。根据公式(5)和公式(6)可以得到电容电压的表达式：
其中为各奇次谐波的标幺值。
在泰勒级数中，有如下关系表达式：
由式(8)可以将式(7)化简为：
忽略ESR，输出电压等于电容电压。
对其在半个工频周期内进行积分，再求平均值可得：
所以输出电压的纹波表达式为：
输出电压纹波的表达式可以写成另一种形式，其中m＝n+1：
将sin 2ωt看作输出电压纹波的基波，定义a1为输出电压纹波的基波幅值，am为输出电压纹波m次谐波的幅值，若令A＝Po/2ωCVo，那么输出电压纹波可以简化为：
其中
采样输出电压纹波，进行傅里叶分解可以得到输出电压纹波的各次谐波的幅值，即am。由输出电压纹波即可推导出输入电流中含有的谐波次数，推导如下：
若输出电压纹波傅里叶分解之后最多到sin2mωt这一项，即sin2(m+1)ωt、sin2(m+2)ωt、sin2(m+3)ωt等都不存在，则这些项对应的系数am+1、am+2、am+3等都为0，即相邻的两个谐波的值相等，则
显然，当后面所有的谐波都为0的时候才满足上式。所以输出电压纹波经过傅里叶分解之后最多到sin2mωt这一项时，输入电流中含有的谐波最高次为2m-1。
输入电流中含有的谐波最高次数是2m-1，则输出电压纹波可以写为：
由式(14)-(16)和式(17)可得A以及各次谐波的表达式为：
由于m＝n+1，所以输入电流谐波表达式可以写为：
由式(19)可得输出电容容值C的表达式为：
式中，Vo为输出电压，ω为100π，Po为输出功率。PFC变换器由电感电流的模式可以分为连续模式、临界模式以及断续模式，对于电感电流连续或者临界模式的PFC变换器，都需要对电感电流进行采样进而控制电流，通过采样电流即可得到输出功率的值；对于电感电流断续模式的PFC变换器，占空比可以反映输出功率的大小，即知道变换器额定功率以及额定功率下的占空比，即可通过工作时的占空比来确定输出功率。基于式(21)-(22)可以得到PFC变换器的输入电流谐波和输出电容容值的监测及方法。
2纹波隔离放大电路的实现
结合图1、图2，PFC变换器的输出电压瞬时值为vo，利用电阻R1、电阻R2、R3分压后，经过电容C1隔断直流，提取出输出电压的交流纹波分量。采用1:1的电压互感器T1隔离纹波隔离放大电路和主功率电路，则其副边电压为PFC变换器输出电压的交流纹波vA。PFC变换器工作在高频开关状态，由于输出电解电容的非理想特性，其输出工频纹波电压中含有高频的开关成分，不利于电压信号的采集，使用由电阻R4、电阻R5、电阻R6、电容C2、电容C3、运算放大器amp1组成的一阶有源低通滤波器衰减开关噪声，同时对信号进行放大得到vB。为匹配信号处理模块(4)的输入电压范围，由偏置电源Voffset和电阻R7和R8产生的偏置电压叠加到vB上，得到处理完成的输出电压纹波vos。即
3触发电路的实现
结合图3，PFC变换器的输入电压是高压，不能直接对其采样，使用电阻R9、电阻R10、运算放大器amp2和电压互感器T2将输入电压转化成幅值较小，波形形状相同的电压信号vC，即vC＝(R10/R9)vin＝(R10/R9)Vmsinωt。将此信号经过由R11和C4组成的低通器滤波后送入过零比较器comp1即可得到0时刻的采样触发信号Trig1。
4本发明PFC变换器输出电容值和谐波监测装置及方法
结合图1，本发明PFC变换器输出电容值和谐波监测装置及方法，包括PFC主电路(1)、纹波隔离放大电路(2)、触发电路(3)、信号处理模块(4)和显示单元(5)，其中：
所述纹波隔离放大电路(2)的输入端与PFC主电路(1)的输出电压端连接，纹波隔离放大电路(2)的输出端与信号处理模块(4)的输入端连接；触发电路(3)输入端和PFC主电路(1)的输入端连接，触发电路(3)电路输出端和信号处理模块(4)的输入端连接；信号处理模块(4)的输出端与显示单元(5)的输入端连接。
进一步地，所述PFC主电路(1)包括输入电压源vin，EMI滤波器，整流桥RB，PFC变换器，输出电容C和负载电阻RL，其中：
所述输入电压源vin的正极与EMI滤波器的一端连接，另一端连接；触发电路(3)电路输入端，输入电压源vin的负极为参考点位零点GND；EMI滤波器的输出端连接整流桥RB的输入端；整流桥RB的输出端接入PFC变换器，PFC变换器的输出端连接输出电容C和负载电阻RL的一端连接，输出电容C的另一端为参考电位零点GND；负载电阻RL的另一端为参考电位零点GND。
进一步地，所述纹波隔离放大电路(2)包括第一电阻R1、第二电阻R2、第一电容C1、第一电压互感器T1、第三电阻R3、第四电阻R4、第二电容C2、第一运算放大器amp1，第五电阻R5、第六电阻R6、第三电容C3、第七电阻R7、第八电阻R8、第一偏置电源Voffset。其中：
所述第一电阻R1一端与PFC主电路(1)的输出电压连接，另一端分别与第二电阻R2、第一电容C1连接；第二电阻R2的另一端连接参考电位零点GND；第一电容C1的另一端连接第一电压互感器T1的原边同名端；第一电压互感器T1的原边另一端连接参考电位零点GND，第一电压互感器T1的副边同名端连接模拟参考电位零点AGND，第一电压互感器T1的副边另一端连接第三电阻R3和第四电阻R4的一端；第三电阻R3的另一端连接模拟参考电位零点AGND；第四电阻R4的另一端连接第二电容C2和第一运算放大器amp1的同相输入端；第二电容C2的另一端连接模拟参考电位零点；第一运算放大器amp1的反相输入端分别连接第五电阻R5、第六电阻R6和第三电容C3的一端，第一运算放大器amp1的输出端连接第六电阻R6和第三电容C3的另一端以及第七电阻R7的一端；第五电阻R5的另一端连接模拟参考电位零点AGND；第七电阻R7的另一端连接第八电阻R8的一端和信号处理模块(4)的输入端；第八电阻R8的另一端连接第一偏置电源Voffset的一端；第一偏置电源Voffset的另一端连接模拟参考电位零点AGND。
进一步地，所述触发电路(3)包括第九电阻R9、第二电压互感器T2、第十电阻R10、第二运算放器amp2、第十一电阻R11、第四电容C4、第一比较器comp1，其中：
所述第九电阻一端连接输入电压源vin，另一端连接第二电压互感器T2的原边同名端；第二电压互感器T2的原边的另一端连接参考电位零点GND，第二电压互感器T2的副边同名端连接模拟参考电位零点AGND，第二电压互感器T2的副边另一端分别连接第十电阻R10和第二运算放大器amp2的反相输入端；第二运算放大器的同相输入端连接模拟参考电位零点AGND，输出端分别连接第十电阻R10的另一端、第十一电阻R11的一端；第十一电阻R11的另一端分别连接第四电容C4的一端和第一比较器comp1的同相输入端；第四电容C4的另一端连接模拟参考电位零点AGND；第一比较器comp1的反相输入端连接模拟参考电位零点AGND，输出端连接信号处理模块(4)的输入端。
进一步地，所述信号处理模块(4)为DSP芯片TMS320F28335。
进一步地，所述显示单元(5)为1602液晶显示屏。
PFC变换器输出电容值和谐波监测装置及方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，由触发电路得到输入电压的零时刻作为输出电压纹波的采样时刻；
步骤2，信号处理模块中的脉冲捕获单元捕获到触发电路的触发信号后，设置合适的采样频率对输出电压纹波进行采样，在信号处理模块中对采样的数据进行傅里叶分解，确定输入电流中含有的谐波次数；
步骤3，确定谐波次数之后根据理论推导的谐波计算公式以及输出电容的容值的计算公式，在信号处理模块中计算得到谐波含量以及输出电容的容值C；
步骤4，将得到的输出电容容值C和各次谐波的含量送入显示单元实时显示。
所述步骤3中所述谐波计算公式以及输出电容的容值的计算公式：
式中，为各次谐波的标幺值，C为输出电容容值，Po为输出功率，Vo为输出电压，ω为100π，ai为输出电压纹波的各次谐波的值。
本发明能够实时监测输入电流含有谐波的PFC变换器的输出电容容值以及谐波含量，对电解电容和电源的寿命进行预测的监测装置及方法。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然能对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行同等替换，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.PFC变换器输出电容值和谐波监测装置，其特征在于，所述变换器为任意电路拓扑，任意工作模式的输入电流含有谐波的PFC变换器，包括PFC主电路、纹波隔离放大电路、触发电路、信号处理模块和显示单元，所述纹波隔离放大电路(2)的输入端与PFC主电路(1)的输出电压端连接，纹波隔离放大电路(2)的输出端与信号处理模块(4)的输入端连接；触发电路(3)输入端和PFC主电路(1)的输入端连接，触发电路(3)电路输出端和信号处理模块(4)的输入端连接；信号处理模块(4)的输出端与显示单元(5)的输入端连接，所述纹波隔离放大电路包括第一电阻R 1、第二电阻R 2、第一电容C 1、第一电压互感器T 1、第三电阻R 3、第四电阻R 4、第二电容C 2、第一运算放大器amp1，第五电阻R 5、第六电阻R 6、第三电容C 3、第七电阻R 7、第八电阻R 8、第一偏置电源，所述第一电阻R 1一端与PFC主电路(1)的输出电压连接，另一端分别与第二电阻R 2、第一电容C 1连接；第二电阻R 2的另一端连接参考电位零点GND；第一电容C 1的另一端连接第一电压互感器T 1的原边同名端；第一电压互感器T 1的原边另一端连接参考电位零点GND，第一电压互感器T 1的副边同名端连接模拟参考电位零点AGND，第一电压互感器T 1的副边另一端连接第三电阻R 3和第四电阻R 4的一端；第三电阻R 3的另一端连接模拟参考电位零点AGND；第四电阻R 4的另一端连接第二电容C 2和第一运算放大器amp1的同相输入端；第二电容C 2的另一端连接模拟参考电位零点；第一运算放大器amp1的反相输入端分别连接第五电阻R 5、第六电阻R 6和第三电容C 3的一端，第一运算放大器amp1的输出端连接第六电阻R 6和第三电容C 3的另一端以及第七电阻R 7的一端；第五电阻R 5的另一端连接模拟参考电位零点AGND；第七电阻R 7的另一端连接第八电阻R 8的一端和信号处理模块(4)的输入端；第八电阻R 8的另一端连接第一偏置电源/>的一端；第一偏置电源/>的另一端连接模拟参考电位零点AGND，所述触发电路包括第九电阻R 9、第二电压互感器T 2、第十电阻R 10、第二运算放器amp2、第十一电阻R 11、第四电容C 4、第一比较器comp1，所述第九电阻一端连接输入电压源/>，另一端连接第二电压互感器T 2的原边同名端；第二电压互感器T 2的原边的另一端连接参考电位零点GND，第二电压互感器T 2的副边同名端连接模拟参考电位零点AGND，第二电压互感器T 2的副边另一端分别连接第十电阻R 10和第二运算放大器amp2的反相输入端；第二运算放大器的同相输入端连接模拟参考电位零点AGND，输出端分别连接第十电阻R 10的另一端、第十一电阻R 11的一端；第十一电阻R 11的另一端分别连接第四电容C 4的一端和第一比较器comp1的同相输入端；第四电容C 4的另一端连接模拟参考电位零点AGND；第一比较器comp1的反相输入端连接模拟参考电位零点AGND，输出端连接信号处理模块(4)的输入端，所述监测装置工作过程包括以下步骤：
步骤1，由触发电路得到输入电压的零时刻作为输出电压纹波的采样时刻；
步骤2，信号处理模块中的脉冲捕获单元捕获到触发电路的触发信号后，设置合适的采样频率对输出电压纹波进行采样，在信号处理模块中对采样的数据进行傅里叶分解，确定输入电流中含有的谐波次数；
步骤3，确定谐波次数之后根据理论推导的谐波计算公式以及输出电容的容值的计算公式，在信号处理模块中计算得到谐波含量以及输出电容的容值C；
，
式中，为各次谐波的标幺值，C为输出电容容值，P o 为输出功率，V o 为输出电压，/>为100π，/>为输出电压纹波的各次谐波的值；
步骤4，将得到的输出电容容值C和各次谐波的含量送入显示单元实时显示。
2.根据权利要求1所述的PFC变换器输出电容值和谐波监测装置，其特征在于，所述PFC主电路包括输入电压源，EMI滤波器，整流桥RB，PFC变换器，输出电容C和负载电阻R L 。
3.根据权利要求1所述的PFC变换器输出电容值和谐波监测装置，其特征在于，所述信号处理模块为DSP芯片TMS320F28335。
4.根据权利要求1所述的PFC变换器输出电容值和谐波监测装置，其特征在于，所述显示单元为1602液晶显示屏。
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