CCM Buck变换器输出电容ESR和C的监测研究(2)
1.1 课题研究背景
当今日常生活电器（如电视机、摄影机、音响等）计算机，测试、测量仪器（如信号源、逻辑分析仪、频谱分析仪、示波器等）以及生物医学仪器都使用开关电源。在工业设备、通信系统、计算机系统、交通运输以及航空航天领域等各个方面直流开关电源也有所应用。大型计算机设备、航天器、通信系统等中的电源都采用分布式电源系统，为设备提供灵活方便，高可靠性和高效率的供电系统,此系统由三个部分组成：分别是发电系统，一次电源，以及二次电源这三部分。将太阳能、生物质能、风能、地热能等能量转化为电能的装置即发电系统，如空间站中的太阳能硅电池阵列等光伏发电设备，风力发电机组发电，飞机、汽车上的由发动机传动的发电机。一次电源的作用是将幅值变化较大的电压转换成符合需求的电压，通常是高频开关整流电源，如卫星蓄电池的充放电以及并联电解器，飞机变速恒频电源（VSCF电源）中的变换器，还有通信电源系统中的开关整流器。二次电源将主电源电能转换为其他规格电能的设备，以便用于不同用电设备，因此直接面向各用电设备，如各类电子设备上的模块电源等[1-2]。分布式电源系统的发电系统、一次电源和部分二次电源中各个电源并非独立运作而是互相并联，电源模块内通过监控电路对运行状态进行监测，若部分电源出现故障便可准确判断故障类型，并及时切除故障电源，因此具有较高的灵活性和可靠性。此外，一次电源的输出端并联蓄电池，防止了部分一次电源或发电系统出现故障导致汇流条电压中断，达到不间断供电。因此，分布式电源系统是具有高可靠性的不间断供电系统，而当前仅有直流供电系统才能做到较好的不间断供电。
开关电源可以为设备提供高质量、高效率直流电,现代DC-DC 功率变换器的转换效率甚至可以达到90%以上，因而广泛应用于各个领域，成为电力电子设备乃至电子系统中的关键环节，现代设备的集成度、智能化都在不断提高，设备与设备之间相互关联，其耦合程度的增大，使得设备的故障特征变得复杂而具有非线性、不确定性、并发性等特点。设备一旦发生故障，往往不仅会造成不同程度的经济损失，还会危及人身安全，更严重的将造成严重的社会或环境问题，甚至有可能造成灾难性的后果[3]。2006 年11 月末,我国的鑫诺二号因作为电源的太阳帆板没能打开而宣布失效;2006 年12 月升空的技术试验卫星8 号因通信设备电源出故障而功能失效;2009 年12 月22 日,上海地铁1 号线因供电系统故障,致使信号系统错发速度指令导致撞车,造成全线停运近8 小时,所有乘客被困轨道近4 小时[4]。
电子系统中超过百分之三十的故障都是因为电源系统故障造成的。电源是电力电子系统的重要部分,它是设备工作的前提，同时也是制约系统寿命的主要部件,影响整个电子系统可靠性的重要因素之一就是电源的劣化失效,电源的裂化也将降低整个电子系统的精度，直接影响其稳定性和可靠性。
1.2 课题研究意义
为了提高电子系统的安全性和可靠性，对系统寿命进行预测评估,越来越多的学者、研究人员开始关注电源系统故障预测与健康管理技术(PHM)。其中开关变换器运行状况的预测被认为是系统PHM 技术的一个重要组成部分,而开关变换器的寿命情况主要决定于输出端滤波电解电容,所以,电解电容失效的研究对开关变换器运行状况以及电子系统健康状况的预测具有重要的意义。
电源系统的故障主要是由内部器件失效造成,据统计,在开关电源中,其主要电源器件失效率如下图[5]：