Buck变换器参数辨识的分析

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构建了Buck变换器参数辨识的方法。通过检测电感电流和输出电压的波形信号,可辨识出电路的滤波电感、滤波电容及其等效串联电阻,并可应用于参数在线辨识,故障趋势判断和预知维护。最后通过实验验证了这一方法的有效性。

关键词:Buck变换器;参数辨识;方法

0    引言

    随着电力电子技术的日益发展,电力电子变换器在工业、航空、信息产业等领域得到了越来越广泛的应用。Buck变换器是一种结构比较简单,应用十分广泛的DC/DC降压变换器,也越来越多地应用在许多大功率电压变换场合。因此,对其可靠性和可维护性的要求也越来越高。

    元器件的软故障,如电容、变压器、电感、开关器件特性劣化等参数性故障,会降低变换器的工作性能和安全性,影响输出指标,严重的会引发开关器件短路或开路故障,从而造成严重的经济损失。因此,有必要研究变换器的参数辨识方法以实现参数性故障诊断,从而为故障趋势判断和预知维护创造条件。

    本文通过建立Buck变换器的模型,并且在这一模型的基础上,通过最小二乘算法获得了的变换器参数辨识的方法。这种方法适用于CCM和DCM工作模式的变换器的参数辨识,能够推广到其他开关变换器,并且能够被应用于在线参数辨识和故障自动诊断系统。通过对变换器的滤波电感、滤波电容及其等效串联电阻的参数辨识的实验,验证了这一方法的有效性和准确性。

1    Buck变换器的模型构建

    Buck变换器电路如图1所示。

图1    Buck变换器

    在Buck变换器建模中,开关器件被视作理想器件。电容的等效串联电阻(ESR)是衡量电容是否正常的一个很重要的参数,同时它对电路的性能有较大的影响,特别是对输出电压的纹波影响较大,故在建模过程中予以考虑,并且在参数辨识过程中也作为一个参数来进行辨识。而电感的ESR由于其影响较小,因此建模中不予考虑。变换器的等效电路图如图2所示。

图2    Buck变换器等效电路图

    在CCM工作模式下,变换器会在两种正常的工作状态下运行,即s1=1,s2=0和s1=0,s2=1。在DCM工作模式下,变换器会在三种正常的工作状态下运行,即s1=1,s2=0、s1=0,s2=1和s1=0,s2=0。结合各种状态下变换器的微分方程组,可以归纳推导出变换器的模型为

    +(s1+s2)×+s1(1)

    s1及s2不能同时为1。

2    Buck变换器的参数辨识

2.1    Buck电路参数辨识的基本原理

    对式(1)作离散化处理,可以得到

   

    [s1(t-1)+s2(t-1)]×+s1(t-1)(2)

    采用递推最小二乘法作参数辨识,t可以作为第t次观测数目,各矩阵定义如下:

        φ(t)={i(t-1),uo(t-1),[s1(t-1)+s2(t-1)]i(t-1),[s1(t-1)+s2(t-1)]×uo(t-1),s1(t-1)}T(3)

        θ1=[1,0,0,-T/L,ET/L]T(4)

        θ2=(5)

    x1(t)=φT(t)θ1(6)

    x2(t)=φT(t)θ2(7)