一种输入串联型模块化DC-DC变换器输入电容状态监测方法

摘要

一种输入串联型模块化DC‑DC变换器输入电容状态监测方法，属于模块化直流变换器技术领域，解决串联系统建模计算量大、建模难度高以及盲目加入高精度传感器导致的电路成本高问题，通过对系统中已存在冗余模块进行投入和切除，引起系统其余模块输入电容电压突变，利用各模块在该瞬态过程中输入电容电压值的变化程度定位输入电容失效的模块，并及时用冗余模块替换该故障模块；充分运用模块化DC‑DC系统易于冗余的特点，全过程无需停机，无需引入额外传感器，可在系统长期运行过程中规律性地重复进行，每次进行监测的环境温度与负载状况可控，动态过程所引入的电压突变大小一致，所得数据量大且置信度高，有效保障结果的准确性，提高系统运行可靠性。

说明书

技术领域

本发明属于模块化直流变换器技术领域，具体涉及一种输入串联型模块化DC-DC变换器输入电容状态监测方法。

背景技术

输入串联型模块化DC-DC变换器广泛应用于各类高压大功率直流功率变换场合，例如直流固态变压器，高压牵引变流器辅助电源等。输入串联型模块化DC-DC变换器各模块输入侧的直流电容起到功率解耦，抑制直流电压脉动以及掉电保护等重要功能。而在系统运行过程中，该电容值会随着电解液的蒸发而不断减小，因此实时在线监测各模块输入电容的健康状态对于系统的健康、安全运行具有重要意义。

并联型模块化DC-DC变换器的各模块电容实质上可以等效为1个大电容，不同于并联型模块化DC-DC变换器，串联型模块化DC-DC变换器，因为各模块的输入侧电容各自独立，其特性各不相同。现有技术针对输入侧电容的在线状态监测主要围绕各类单个变换器开展，在多模块系统中，往往沿用单一场合下的思路，主要采用以下三类技术路线：

1)基于电容电流传感器的方法，该类方法需要添加额外的传感器，硬件成本高昂，且破坏原有电路结构；2)基于电路模型分析的方法，即围绕电容列写电路方程，从中解出相关参数的表达式，但该方法需检测电容的纹波电压脉动，而纹波电压脉动一般仅为额定输出的1％，且脉动频率为开关频率，现有传感器难以准确测量；文献“DCM Flyback变换器输出电解电容在线监测研究，南京理工大学，李辉，2017年1月”公开了一种DCM Flyback变换器输出电解电容容值和ESR的计算方法(具体参见该文献第25-26页的图3.5和图3.6)，该文献的核心思想是监测直流电压纹波，得到一个开关周期内若干特征点的值，根据所建立的模型表达式，进行容值和ESR的计算。不足之处在于：纹波监测难度太大，需设计复杂的电路，对于多模块系统，则监测的成本成倍提升。且该电路本身亦会引入可靠性的问题；3)基于信号注入的方法，即对电路注入具有特征频率和幅度的信号，以放大某些电信号，使之易于准确采集，但该方法会对主电路波形质量产生影响。

为了在线提取有效电信息判断电容健康状态，文献“Buiatti G M,

目前，针对输入串联型模块化DC-DC变换器系统输入侧电容状态监测的技术方案较少，这是因为输入侧电容状态监测首先需要解决纹波电压提取困难的问题，工业实际中往往直流侧电容取值较大，且直流侧电压较高，开关频次的脉动无法准确提取，盲目加入高精度传感器，得不偿失；其次，串联系统建模较单个模块复杂许多，计算量大，建模难度高。较多文章专利均是针对单一变换器的电容状态监测开展，在多模块系统中，往往沿用单一场合下的思路，复制扩展。但这存在建模复杂，计算量大，在交错情况下电容电压脉动提取困难等缺陷。若将已有针对单个变换器的方案移植到该系统中，将会面临以上所述不足，特别是硬件成本和建模复杂程度的成倍提高，不利于实际工业应用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于如何利用模块化系统易于冗余、灵活投切的优势设计一种输入串联型模块化DC-DC变换器输入电容状态监测方法，解决串联系统建模计算量大、建模难度高以及盲目加入高精度传感器导致的电路成本高的问题。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：

一种输入串联型模块化DC-DC变换器输入电容状态监测方法，包括以下步骤：

1)检测当前的环境温度及负载大小，保证环境温度及负载状况相同，且保持稳定；

2)在电路正常稳态运行过程中，将K个冗余备份的DC-DC变换器模块投入运行，其中，K和M均为正整数，M为系统中冗余备份模块的总数，K小于等于M；

3)电路再次稳定后，立即将已投入运行的K个冗余备份的DC-DC变换器模块退出电路；

4)在冗余备份的DC-DC变换器模块退出电路的过程中，记录其余各正常运行的DC-DC变换器模块在该瞬态过程中的输入电容电压值，并基于该瞬态过程中各模块输入电容电压值的变化程度定位输入电容失效的模块；

5)步骤1)至步骤4)为一次测试循环，若该次循环结束尚未发现发生输入电容失效的模块，则在间隔相同的时间后再次从步骤1)开始顺序执行第二次测试循环；若已发现发生输入电容失效模块，则切除所定位的故障模块，并投入冗余备份的DC-DC变换器模，保证系统的持续安全运行。

本发明通过对系统中已存在的冗余模块进行投入和切除，引起系统其余模块的输入电容电压突变，利用各模块在该瞬态过程中输入电容电压值的变化程度定位输入电容失效的模块，并及时用冗余模块替换该故障模块；充分运用了模块化DC-DC系统易于冗余的特点，全过程无需停机，无需引入额外传感器，可在系统长期运行过程中规律性地重复进行，且每次进行监测的环境温度与负载状况可控，动态过程所引入的电压突变大小一致，所得数据量大且置信度高，有效保障了结果的准确性，提高了系统运行的可靠性。

作为本发技术方案的进一步改进，步骤4)中的输入电容失效的判定方法之一为：从第二次测试循环开始，将当前所得数据点同上一次循环所得数据点相连，计算其斜率，当连续L次计算出的斜率均大于W时，则判定该模块输入电容已进入失效状态，其中L为大于等于2的正整数，W为正实数。

作为本发技术方案的进一步改进，步骤4)中的输入电容失效的判定方法之二为：从第二次测试循环开始，将当前循环得到的点与已有数据点进行整体曲线拟合，从拟合曲线斜率变化趋势定位电容失效的模块。

一种基于所述的输入串联型模块化DC-DC变换器输入电容状态监测方法的监测系统，包括输入电源V

作为本发技术方案的进一步改进，所述的DC-DC变换器采用正激DC-DC变换器拓扑结构。

作为本发技术方案的进一步改进，每个所述的旁路控制开关均包括一个限流电阻R

本发明的优点在于：

(1)本发明实施例通过对系统中已存在的冗余模块进行投入和切除，引起系统其余模块的输入电容电压突变，利用各模块在该瞬态过程中输入电容电压值的变化程度定位输入电容失效的模块，并及时用冗余模块替换该故障模块；充分运用了模块化DC-DC系统易于冗余的特点，全过程无需停机，无需引入额外传感器，可在系统长期运行过程中规律性地重复进行，且每次进行监测的环境温度与负载状况可控，动态过程所引入的电压突变大小一致，所得数据量大且置信度高，有效保障了结果的准确性，提高了系统运行的可靠性。

(2)不同于传统的利用开关频率脉动来估算容值，本发明实施例灵活运用了模块化系统易于冗余，灵活投切的优势，将冗余模块投入、投出系统，在不影响输出的情况下，在各模块输入侧引入较大的电压变化；该电压变化速度快，类似阶跃的特性，对于两个串联的电容，在该种条件下，其电压的动态值和容值直接相关，因此可反映容值信息；此时，传感器和数字处理器无需捕捉频率高且幅值小的高频脉动，而是直接测量大范围的信号变化，精度显著提高。

(3)利用多模块的冗余性特点，不采集高频纹波，利用冗余模块投切在输入侧产生电压突变，这样仅利用已有传感器即可实现，无需额外电路。

(4)可在同一环境和负载条件下重复获得大量、可靠测试数据；全过程不停机，不影响系统正常运行；无需任何额外传感器，仅利用已有的输入电容电压传感器；无需复杂的建模和计算，易于实现和迁移。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1为本发明实施例的一种输入串联型模块化DC-DC变换器输入电容状态监测系统；

图2为本发明实施例的三模块输入串联输出并联型正激变换器输入电容状态监测系统；

图3为一种输入串联型模块化DC-DC变换器输入电容状态监测方法的流程图；

图4为本发明实施例的第一次循环测试结果仿真波形；

图5为本发明实施例的仿真数据结果。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合说明书附图以及具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述：

如图1所示，为本发明一种输入串联型模块化DC-DC变换器输入电容状态监测系统，包括输入电源V

所述的DC-DC变换器模块采用电压源型隔离DC-DC变换器拓扑结构，优选地，采用正激DC-DC变换器拓扑结构。如图2所示，为本发明的三模块输入串联输出并联型正激变换器，该系统含有两个正常工作模块：模块-1和模块-2，以及一个冗余模块。各模块的拓扑为正激变换器拓扑。各模块输入侧串联，各模块的输入电容为C

如图3所示，为本发明实施例的一种输入串联型模块化DC-DC变换器输入电容状态监测方法的流程图，系统包括正常运行模块2个，冗余模块1个，所述方法包括：

1)检测当前的环境温度及负载大小，保证环境温度及负载状况相同，且保持稳定；

2)在电路正常稳态运行过程中，将1个冗余备份的DC-DC变换器模块投入运行；

3)系统再次稳定后，立即将已投入运行的1个冗余模块退出系统；

步骤3)中将已投入运行的冗余模块再次退出，其目的在于在不影响电路额定运行的状态下对正常工作模块施加幅值恒定的输入电压扰动，该扰动幅值为V

4)在冗余模块退出系统的过程中，记录其余各正常工作模块在该瞬态过程中的输入电容电压值，并基于该瞬态过程中各模块输入电容电压值的变化程度定位输入电容失效的模块；

步骤4)中判断电容失效的两种处理方法：一种是连续L次计算出的斜率均大于W；一种是整体曲线拟合，从变化趋势来判断。

(1)已投入的冗余模块退出系统后，在输入电容电压开始变化至再次稳定的过程中选取某一特定时刻，记录所有N个模块在该时刻处的输入电容电压值，该时刻一旦选定，在后续重复的执行过程中需严格保持一致，并将各次测试循环中产生的数据，即各正常工作模块输入电容电压在突变过程中特定点处的电压值，绘制于同一坐标，其中纵坐标为电压值，横坐标为循环次数；

对于各模块输入电容电压，从第二次测试循环开始，将当前所得数据点同上一次循环所得数据点相连，计算其斜率，当连续L次计算出的斜率均大于W时，则判定该模块输入电容已进入失效状态，其中L为大于等于2的正整数，W为正实数。若L取的越大，则判定更精准；若W取的越大，则判定更精准。

(2)从第二次测试循环开始，将当前循环得到的点与已有数据点进行整体曲线拟合，可从拟合曲线斜率变化趋势定位电容失效的模块。当电容进入失效状态后，其容值衰退的速率将大大变快。对于输入电容失效的模块，所得到的拟合曲线的上升斜率也将大大变快，据此可定位已发生电容失效的模块，并且可以对有失效危险的模块进行预警判断。

需要注意，对于N模块来说，电容的老化程度不可能完全相同，该方法可准确定位出老化程度最严重的模块，即已老化至失效的模块，并可同时识别出老化程度已接近失效的模块作为预警。

5)步骤1)至步骤4)为一次测试循环，若该次循环结束尚未发现发生输入电容失效的模块，则在间隔相同的时间后再次从步骤1)开始顺序执行下一次测试循环，若已发现发生输入电容失效模块，则切除所定位的故障模块，并投入冗余模块，保证系统的持续安全运行。

所涉及的M个冗余模块，其输入端设置有并联的旁路支路，该旁路支路由一个全控型半导体器件和限流电阻串联组成，冗余模块不工作时全控型半导体器件处于断开状态，冗余模块工作时全控型半导体器件处于导通状态。

对于各模块输入电容健康状态的监测均在系统正常运行过程中进行。首先，选定特定的负载和环境温度，在此条件下，将冗余模块投入系统，即将S

在该瞬态过程中，利用已有的输入电容电压传感器记录V

基本的仿真参数如表1所示，通过人为改变模块-1输入电容C

表1：基本的仿真参数

表2：测试数据

根据所述数据处理方法，当连续L次计算出的斜率均大于W时，则判定该模块输入电容已进入失效状态。在该实施例中，设定W为0.5，L为3。需要注意的是，在不同的应用场合W和L的值可灵活选取。

从图5中可以看出，从第四次测试循环开始，到第六次测试循环，连续3次的上升斜率均大于0.5，则判定模块-1的输入电容已失效。同时，从模块-1的数据曲线中可以看出，该曲线在第四个点后上升速度显著加快，已有知识表明当电容失效时，其容值衰退速度将大大加快，这与所得曲线特性一致，亦可从该角度判定其失效。

本发明实施例通过对系统中已存在的冗余模块进行投入和切除，引起系统其余模块的输入电容电压突变，利用各模块在该瞬态过程中输入电容电压值的变化程度定位输入电容失效的模块，并及时用冗余模块替换该故障模块；充分运用了模块化DC-DC系统易于冗余的特点，全过程无需停机，无需引入额外传感器，可在系统长期运行过程中规律性地重复进行，且每次进行监测的环境温度与负载状况可控，动态过程所引入的电压突变大小一致，所得数据量大且置信度高，有效保障了结果的准确性，提高了系统运行的可靠性。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以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等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。