【摘 要】
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开关电源在各个工业领域中有着举足轻重的作用,其内部关键的DC-DC变换器电路的性能直接影响到其输出质量,进而影响开关电源所带的后级电路。当变换器内部器件性能退化时,会导致输出质量下降,影响到后级设备正常工作。而当内部器件故障时,轻则导致后级设备工作异常,重则发生重大故障。所以对DC-DC变换器进行健康评估,实时掌握其健康状态,及时作出预警和相关对策具有重大意义。本文以降压型（Buck）DC-DC变
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开关电源在各个工业领域中有着举足轻重的作用,其内部关键的DC-DC变换器电路的性能直接影响到其输出质量,进而影响开关电源所带的后级电路。当变换器内部器件性能退化时,会导致输出质量下降,影响到后级设备正常工作。而当内部器件故障时,轻则导致后级设备工作异常,重则发生重大故障。所以对DC-DC变换器进行健康评估,实时掌握其健康状态,及时作出预警和相关对策具有重大意义。本文以降压型（Buck）DC-DC变换器为研究对象,从非侵入式系统设计出发,对变换器中失效率最高的电解电容和开关管两个器件进行健康状态监测与故障预警。本文的主要内容如下:首先,对Buck变换器的基本原理进行介绍,然后对其内部失效率最高的电解电容和开关管两个器件进行研究,分析其基本结构、失效机理、退化指标等,最后确定以电解电容的电容量C和等效串联电阻ESR、开关管出现短时连续导通或关断的异常工作现象作为二者的退化或故障指标,为后文分析提供基础。针对电解电容的健康状态监测,根据输出电容的纹波电压,通过电路中的参数关系推导出不同工作模式下C和ESR的计算表达式,式中需获取占空比D值、0时刻和DT时刻的纹波电压值等参数,利用输出纹波电压与驱动信号之间的对应关系求得上述参数,代入不同模式下对应的计算公式,即可求得C和ESR值,并搭建仿真模型对上述方法进行验证。针对开关管故障预警的研究使用了两种方法,第一种方法通过分析异常故障与输出电压微分信号之间的对应关系,使用一种输出电压微分判别法,对异常故障进行判别,进而发出警告。第二种方法通过小波包分解不同状态下的输出电压,获取电压特征,然后通过神经网络进行训练,对不同状态进行区别,达到异常故障识别的目的。最后,设计实现了Buck变换器关键器件非侵入式健康状态监测与故障预警系统,搭建实验平台,模拟两个关键器件的退化和异常故障,并通过实验验证所提出方法的可行性,测试结果表明该监测与预警系统性能良好。
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