开关电源的故障预测及电解电容器退化研究

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1、开关电源的故障预测及电解电容器退化研究羸线翻越与蔽障掺柳电子测量技术ELECTRONIC第33卷第11期TECHNOLOGYMEASUREMENT2010年11月尚永爽1'2（1・海军航空工程学院烟台王怡苹1刘勇1310021）264001；2.94973部队杭州摘要：高效率的电源变换器广泛应用于航空电子系统，电源的故障会导致整个系统的崩溃，严重影响军用飞机的战备完好性目标。电子系统故障预测可以在故障发生前，有效地探测潜在故障，减轻损失。阐述了Buck型开关电源基本工作原理，介绍了其故障模式及物理失效模型，并详细阐述了电解电容器等效电路模型。通过仿真电解电容器的

2、退化过程。得到开关电源的输出响应特性，表明了电解电容器退化对电源特性的影响.通过辨识电解电容器ESR的值，可以有效评估电容的健康状态，实现开关电源的故障预测。关键词：退化；故障预测和健康管理；开关电源；电解电容器；等效串联电阻中图分类号：TP206+.3文献标识码：AtheWangEngring01,2.arefPLA,Han邸hounet；Hiareyetpronevu1nerabi1canaJLProductivitdineluresperTheareimpendingmitigatingactionsconverterscanbeperformedbefo

3、redamagepaper.occurs・ofbuckswitching—modepowerisexpatiatedinthisThefailuremodeandphysicsfai1uremocuitmodelfoorisexpatiatedlg—modepowegetexpresonethethecessofelerolyrandching——modepowerKeywords:degradationIfyingtheequivalentserng——modepowehealthmanaelectrOlyttor,equivalentsistor(ESR)0

4、来越重要的作用，飞行人员和保障人员需要清楚地掌握系引言统健康状态，需要利用预测工具对这些部件实现准确的故障诊断、故障预测和剩余有效寿命估计。故障诊断和故障预测技术的实现，不仅可以有效地提高开关电源的可靠性，也可以有效地提高军用飞机安全性，大幅度减少维修费用。1开关电源可以提供高效率脉冲直流电源，现代Dc_DC功率变换器的转换效率可以达到92%口1。航空系统如飞行控制、火力控制、仪表、通讯和导航雷达等在军用飞机中，执行许多关键任务。所有这些系统都需要开关电源提供稳定的直流电压。通常情况下，应用于飞机上的开关电源与传统的电源相比，在重量、大小和效率方面有更高的要求。

5、作为一个独特的模块，由于开关电源不同负载需求、不同环境影响、热应力作用和瞬变条件作用，所以它的可靠性问题直接影响飞机使用可用度。许多早期的开关电源设计为避免遭受突然的和灾难性的故障，或者遭受外界的电磁干扰，通常采用保护电路，使敏感元件隔离，以免受破坏性事件的影响。同时，随着这些电源在航空系统及其子系统中发挥越■Buck型开关电源基本原理DC-DC变换器作为开关电源的核心，使用开关元件、电容器和电感，以保证电压和电流的稳定。图1为Buck型［21开关电源原理图。在电源的输入端，首先输人直流电压V。。高速开关的导通和截止状态能够使得能量包从输入端到输出电感和电容的转

6、换。变换器末端滤除DC输出的高频成分。振荡器利用以100kllz左右的脉宽调制（PWM）信号开关功率晶体管Q1o在每个PwM周期，当Q1导通，电流以上升102?万方数据图1Buck型开关电源原理电感试图保持其次边电流而上升，对电容C充电。PwM比较的反馈,设置PwM信号周期。最终，输出电压反馈到开关电源可靠性研究表明，大多数故障是由于少数元在开关电源中通常应用3种类型的开关晶体管：双级开关电源输岀滤波器的主要B的是抑制DC.DC变换器在在开关电源中，通常应用两种类型的滤波电容：钳电万方数据第二大故障源。这些电容需要较大容量、较高额定电压和较低的等效串联电阻（ES

7、R）。2.3整流二极管整流电压开关电源输入和输出电压，同时也是一个重要的故障原因。肖克利二极管通常用作整流器。3物理失效模型物理失效模型是检测潜在故障、故障级数和预测有效剩余寿命的基础。品体管主要的故障模式包括热击穿、门氧化物退化、接触迁移和热疲劳。热击穿和热疲劳可以影响所以类型的晶体管，而门氧化物退化仅仅影响M0SFETs,接触迁移仅仅影响BJTso热击穿、接触迁移和热疲劳也会影响二极管。电容主要的故障模式包括介质击穿和热疲劳。3.1物理失效机理热击穿影响所有类型的晶体管，双极结型晶体管是最敏感的，因为元件温度和发热性之间呈正反馈关系。随着BI礴温度的升高，它

8、产生的热量就越来越多。当