Boost PFC变换器中电解电容ESR和C的监测研究(2)
8.2 实验二：搭建总体电路 31
8.3 实验三：调整时间采样信号 32
小结 35
结 论 36
致 谢 37
参考文献38
1 绪论
1.1 研究背景与意义
电容器主要用于脉冲和交流电路中，电容既不产生也不消耗能量，它是一种储能元件。他在电路中往往可以起到提高功率因数的重要作用。正是因为这个原因，在输出功率是恒定不变的输入功率是变化波动的电路中，电容器可以平衡功率的作用[1]。
电解电容器有抗浪涌能力强，额定耐压值高，容量大的特点。因此PFC电路常选用电解电容作为储能电容使用[1]。
但是电解电容也有自身的缺点，受温度影响大，寿命较短。在PFC电路中，电解电容电容会有大幅能量充放，流过的电流的有效值会很大会产生较大的热量。由于其受温度影响大的特点，它的寿命会更加有限。
根据相关研究，有超过一半的电源故障都是由于电解电容的老化失效引起，电解电容的故障成为影响电源故障率的最主要原因。能够有效的预测PFC变换器电路的工作状态，监测电解电容的寿命是十分重要的。通过监测电解电容的老化程度，计算电解电容的参数，构建数学模型，预测电解电容的寿命。来减少因为电解电容的故障而引起的PFC变换器的故障率[1]。
电解电容的寿命受多种因素影响，包括内部温度，设计方法，材料和电解电容的参数，电解电容的参数是有方法可以计算的，可以直观的体现出电解电容的老化程度从而预测电路的工作状态。
它的等效附加元件主要包括等效串联电阻值、等效电感值。电解电容的特性分为频率特性和温度特性，这两种因素对电解电容的影响最大。
电解电容参数主要有电容值、阻抗值，损耗角值、漏电流值。
信号处理和信号监测相结合是当今对电解电容监测的主要研究方法。被选择的监测信号往往是简单直观的电压值，通过数学推算找到监测信号与电解电容参数的关系。通过信号处理计算出电容的参数来实现对电容寿命的预测。
ESR作为电解电容最主要的寄生附加元件，当它流过电流时会产生热量，这会使电容内部发生化学物理变化，最主要的是电解质的损耗。这会导致电容值的减小乃至失效。所以ESR的值是最需要监测的电容参数，最大程度体现电容的工作状态。
监测ESR的方法目前有很多，ESR监测技术也分为在线监测和离线监测两种，离线监测技术具有结构简单，可以闭环操作的特点。离线监测技术最有代表性的是正弦PWM来估算。通过电路来实现相应的正弦波发生器，锯齿波发生器等，使输出电流为正弦输出，电容在电流下作用，有对应的电流电压信号输出，作为监测信号来计算ESR的值。另一种是应用时间状态平均技术作为仿真的方法，通过建立时间状态方程，选择状态量为电感电流和电容电压，就可以计算出电容的参数。
通过分析电解电容的工作状况可知，通过电解电容的交流纹波电流是成周期变化的。因此，电容电流可以进行傅里叶分解，表示成正弦或者余弦的分量之和。而电解电容的等效模型可以表示成一个统一的阻抗表达式。则电容电流的正弦或余弦分量在电容上产生的电压响应可以用正弦稳态的方法求解，对不同分量值电压响应上的求和，就可以得到电容的电压值。这是ESR监测的方法之一的频域分析法。
在线监测应用比较广泛的是电压电流法，电容的电压电流在ESR和C的作用下有一定的关系。他们作为监测信号可以计算出ESR和C的值。这种方法易于理解，电路实现简单。
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