1 引言

隨著近年來“全電”概念的提出和逐步實現(xiàn)，新一代裝備向全電功率能源系統(tǒng)的轉(zhuǎn)型已成為必然趨勢。隨著系統(tǒng)用電量的大幅提升，對系統(tǒng)電源的性能以及可靠性提出了更高的要求。據(jù)統(tǒng)計，34%的電氣設(shè)備故障是由電源故障引起的。電源作為系統(tǒng)核心部件，其重要性不言而喻。以航空機(jī)載電源為例，一旦故障必將導(dǎo)致機(jī)上控制、通信以及儀表等重要設(shè)備無法工作，不僅直接影響飛機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行，甚至?xí)斐蓧嫏C(jī)、爆炸等災(zāi)難性后果。

對于重要設(shè)備的電源，維護(hù)是保障其可靠性的必要手段。傳統(tǒng)的定期維護(hù)方法，耗費巨大但仍不能顯著提高可靠性。近年來，美國軍方提出了預(yù)測與健康狀態(tài)管理（PHM，Prognostics and Health Management）以及基于狀態(tài)的智能維護(hù)（CBM，Condition Based Maintenance）技術(shù)。此技術(shù)已在如直升飛機(jī)的動力傳動等機(jī)械結(jié)構(gòu)的維護(hù)中得到了廣泛的應(yīng)用。隨著電子產(chǎn)品的飛速發(fā)展，將基于狀態(tài)的智能維護(hù)思想引入電源領(lǐng)域十分必要。而智能維護(hù)思想的實現(xiàn)，首先需要準(zhǔn)確獲得電源的健康狀態(tài)。

目前，國內(nèi)外對于電源設(shè)備PHM的研究主要集中在關(guān)鍵元器件的故障預(yù)測上。基于元器件失效機(jī)理，結(jié)合相應(yīng)的加速退化手段，監(jiān)測元器件的敏感退化參數(shù)，并利用預(yù)測算法進(jìn)行預(yù)測。如有學(xué)者分別對MOSFET閾值電壓和導(dǎo)通電阻進(jìn)行了監(jiān)測，并利用粒子濾波、高斯回歸等算法進(jìn)行了剩余壽命預(yù)測研究。類似針對于元器件本體的監(jiān)測與預(yù)測方法，很難適用于系統(tǒng)級的PHM研究。如MOSFET在某一電源系統(tǒng)中時，其閾值電壓無法在線測得。另有學(xué)者提出了綜合考慮多個器件退化情況，通過提取能反映電源整體退化的故障特征參數(shù)，利用灰色模型、最小二乘支持向量機(jī)等方法進(jìn)行退化預(yù)測研究。但相關(guān)研究中固定了工作條件狀態(tài)，無法實現(xiàn)不同組合應(yīng)力作用下的預(yù)測和維護(hù)。本文基于EDA仿真技術(shù)，人為注入退化故障，以此開展電源健康狀態(tài)評估方法的研究。首先建立電源Pspice仿真模型，并通過試驗進(jìn)行驗證及修正；然后確定關(guān)鍵元器件及其退化模型；根據(jù)主要應(yīng)力剖面設(shè)計仿真方案，得到未退化及故障（退化）注入后的仿真結(jié)果，由此構(gòu)建電源健康特征數(shù)據(jù)庫；最后將待評估電源的輸出數(shù)據(jù)與特征數(shù)據(jù)庫進(jìn)行距離比對，從而實現(xiàn)對其實際健康狀態(tài)的評估。實例應(yīng)用結(jié)果表明，本文方法有效可用。

1 開關(guān)電源Pspice建模及驗證

開關(guān)電源的仿真建模可由Pspice，Saber等EDA軟件實現(xiàn)。建模時，大部分的元器件可從模型庫獲得，其精度能滿足要求。但對于變壓器以及鋁電解電容等特殊器件，采用仿真軟件所提供的理想模型往往仿真結(jié)果欠佳。

1.1 變壓器模型的建立

利用Pspice提供的TransformerDesigner建立變壓器模型，必須已知骨架結(jié)構(gòu)、磁芯材料、氣隙大小、絕緣材料等相關(guān)參數(shù)，一般設(shè)計者很難準(zhǔn)確獲得。本文采用等效電路方法進(jìn)行了變壓器仿真建模。考慮了寄生電感、鐵心損耗以及繞組損耗后的變壓器模型如圖1所示。

圖1 變壓器等效電路仿真模型

可通過高頻網(wǎng)絡(luò)分析儀、高精度萬用表等測量、計算得到圖1等效電路中的各參數(shù)值。將變壓器副邊線圈短接，測得原邊線圈電感即為原邊漏感Ll1，同理可測副邊漏感Ll2；將副邊線圈開路，測得原邊電感即為勵磁電感Lmp。原副線圈具有一定的直流電阻Rdc1，Rdc2，而變壓器工作在高頻狀態(tài)時，由于集膚效應(yīng)會使其交流阻Rac抗大于直流阻抗。Rac/Rdc與電流頻率、線圈直徑以及溫度等因素相關(guān)，圓銅線在20℃，f=100KHZ時，Rac/Rdc=1.7。直流電阻可利用萬用表直接測得，并由此估算原副線圈交流電阻Rac1，Rac2。

1.2 鋁電解電容模型的建立

鋁電解電容作為電源退化過程中的典型退化器件之一，其仿真模型不能用簡單的容值代替。根據(jù)鋁電解電容器的物理結(jié)構(gòu)，構(gòu)造其等效電路如圖2所示。

圖2 鋁電解電容等效電路

圖中，Ls為引線電感，Rsp為介質(zhì)損耗電阻，Rp表示電解液及襯墊紙歐姆電阻，二極管D等效氧化膜介質(zhì)的PN結(jié)效應(yīng)。

1.3 開關(guān)電源的仿真模型及驗證

本文所建立的某開關(guān)電源仿真模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 仿真模型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

為驗證模型準(zhǔn)確性，需要將仿真模型關(guān)鍵節(jié)點波形與實測波形進(jìn)行比對。開關(guān)管的占空比以及開關(guān)頻率是電源系統(tǒng)中重要的參數(shù)，而二極管反向擊穿電壓等級以及開關(guān)速度同樣會影響電源性能。由此選擇MOSFET驅(qū)動波形、柵源電壓波形以及二極管導(dǎo)通壓降波形進(jìn)行對比，如圖4～6所示。

圖4 開關(guān)管驅(qū)動波形對比

圖5 開關(guān)管漏源電壓波形對比

圖6 二極管導(dǎo)通壓降對比

仿真模型的波形與實測波形相比，存在一定的開關(guān)振蕩，分析發(fā)現(xiàn)這是由于仿真算法的收斂性導(dǎo)致的，但對于本文的方法研究不會產(chǎn)生影響。同時可以看出在開關(guān)頻率方面存在一定的誤差，這是由于系統(tǒng)中使用的PWM芯片的固定頻率值與理想模型的誤差導(dǎo)致的，仿真頻率與實測頻率分別為62.5KHZ和60.6KHZ，誤差為3.1%。此外開關(guān)管驅(qū)動電壓的仿真值和實測值分別為9.7V和9.3V，誤差為4.3%。對比結(jié)果表明，所建立的仿真模型計算精度較高，可用于本文的研究。

2 開關(guān)電源輸出特性退化仿真

2.1 開關(guān)電源主要元器件退化模型

開關(guān)電源中，電解電容的性能和指標(biāo)直接影響著整個系統(tǒng)的性能。應(yīng)用情況表明，電容器發(fā)生故障的概率在整個電力電子系統(tǒng)中最高。而采樣電阻作為開關(guān)電源反饋控制的重要元器件，也對開關(guān)電源的輸出性能等起到了重要的影響。此外，MOSFET作為電源中的核心器件，其性能退化對整個系統(tǒng)的性能與可靠性有著重要的影響。

2.1.1 鋁電解電容退化模型

通過對電解電容器退化機(jī)理的分析發(fā)現(xiàn)，其內(nèi)部物理、化學(xué)反應(yīng)引起的最顯著退化是電解液的損失和等效串聯(lián)電阻ESR的增大。其退化模型可表示為：

式中：C0為C的初值；ESR0為ESR的初值；t為時間；β為各自的退化系數(shù)。

2.1.2 電阻器件的退化模型

電阻的退化模型在不考慮初值的分散性且工作環(huán)境確定的條件下可以簡化描述為：

其中：t為時間；β為定義的退化系數(shù)；R0為電阻初值。

2.1.3 MOSFET的退化模型

MOSFET參數(shù)退化的直接原因是柵極氧化層通道遭到破壞。實驗表明MOSFET的退化會導(dǎo)致跨導(dǎo)降低、閾值電壓上升以及導(dǎo)通電阻的降低。其中閾值電壓的變化最為明顯，其變化會導(dǎo)致開通時間增長，從而導(dǎo)致功耗增加、溫升增大，更嚴(yán)重的退化甚至?xí)苯咏档拖到y(tǒng)的工作頻率。

閾值電壓的退化模型可以利用有效界面缺陷態(tài)密度△NIT進(jìn)行描述。此模型在MOSFET器件加速壽命退化試驗中得到了很好的驗證。將△NIT近似用時間的對數(shù)替代，則模型簡化為Vth（t）=Vth（0）+eβ-1。

2.1.4 非典型器件模型

除上述3類重要器件的退化模型，退化過程還需要考慮變壓器勵磁電感以及非鋁電解電容，其退化模型可簡化為：

2.1.5 元器件退化模型參數(shù)

參考已有研究結(jié)果，結(jié)合相關(guān)測試與分析，確定了本文主要器件的退化參數(shù)，如表1所示。

表1 退化器件參數(shù)

2.2 仿真方案的試驗設(shè)計

已有研究表明，電源所承受應(yīng)力如溫度、輸入電壓、負(fù)載電阻等，對其性能有著重要的影響。要準(zhǔn)確評估電源健康狀態(tài)，理論上必須制備所有應(yīng)力組合情況下的電源狀態(tài)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫。而多應(yīng)力、多水平值全組合帶來的仿真工作量十分巨大，因此，本文提出采用試驗設(shè)計的方法，以完成標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫的建立。某開關(guān)電源技術(shù)參數(shù)如下：等效直流輸入電壓范圍380～420V，負(fù)載范圍165～245Ω，環(huán)境溫度-20～60℃，額定輸出電流為恒流710mA。結(jié)合該電源實際工作狀況，將輸入電壓、負(fù)載電阻以及環(huán)境溫度確定為3個應(yīng)力因素，在各自的波動范圍內(nèi)取5個水平值，采用L2553正交表設(shè)計仿真方案（如表2～3所示）。

即便是采用試驗設(shè)計，構(gòu)建特征數(shù)據(jù)庫的仿真工作量仍然很大。本文利用Autoit對Pspice進(jìn)行了二次開發(fā)（圖7），使其可自動修改參數(shù)并循環(huán)運(yùn)行，顯著縮短了數(shù)據(jù)庫的制備周期。

表2 試驗設(shè)計方案

表3 應(yīng)力組合

圖7 Pspice二次開發(fā)流程圖

3 健康狀態(tài)評估方法

本文提出的健康狀態(tài)評估方案如圖8所示。

圖8 評估方案流程圖

3.1 特征量選取

本例中，經(jīng)過大量數(shù)據(jù)分析后發(fā)現(xiàn)，輸出電流、電壓紋波隨系統(tǒng)的整體退化呈現(xiàn)出最為明顯的變化趨勢。由此說明，輸出電流（圖9）以及電壓紋波（圖10）在本例中可以很好的表征系統(tǒng)退化程度即電源的健康狀態(tài)，故選為退化特征量。

圖9 25組不同應(yīng)力條件下的輸出電流退化趨勢

圖10 25組不同應(yīng)力條件下的輸出電壓紋波變化趨勢

3.2 健康狀態(tài)建模

特征量一方面受退化程度的影響，另一方面也受環(huán)境應(yīng)力變化而產(chǎn)生偏移，如溫度上升將導(dǎo)致采樣電阻的漂移，使得穩(wěn)定工作點隨之漂移；恒流電路中的負(fù)載變化也將對輸出紋波產(chǎn)生直接影響。本例利用正交試驗構(gòu)建一階響應(yīng)面模型，用最小二乘法對此多元函數(shù)進(jìn)行擬合。由于不同的退化狀態(tài)下的應(yīng)力響應(yīng)面存在差異但結(jié)構(gòu)相似，因此可以利用不同響應(yīng)面下的相同應(yīng)力狀態(tài)點的對比評估待測系統(tǒng)當(dāng)前的狀態(tài)。為避免數(shù)據(jù)的量級不同對擬合效果產(chǎn)生影響，應(yīng)首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行平移-極差變換處理。擬合后分別得到輸出電流及電壓紋波與環(huán)境應(yīng)力的函數(shù)關(guān)系：

其中：Vin，RL，T分別對應(yīng)于環(huán)境應(yīng)力中的輸入電壓、負(fù)載以及溫度應(yīng)力。結(jié)果表明，運(yùn)行時間對輸出電流和電壓紋波影響程度最大，而溫度和負(fù)載變化也會分別對輸出電流和電壓紋波產(chǎn)生一定影響。

為方便研究，選取應(yīng)力組合1作為基準(zhǔn)應(yīng)力狀態(tài)點。表4給出不同健康狀態(tài)下基準(zhǔn)狀態(tài)點的輸出響應(yīng)參數(shù)，即基準(zhǔn)健康狀態(tài)。

表4 基準(zhǔn)健康狀態(tài)表

3.3 評估實例

利用響應(yīng)面模型和原始待測狀態(tài)參數(shù)，找到待測狀態(tài)在固定狀態(tài)點處的參數(shù)。將其與標(biāo)準(zhǔn)健康狀態(tài)表進(jìn)行距離比對，確定近似狀態(tài)。根據(jù)電源的應(yīng)用背景，我們規(guī)定電源健康狀態(tài)與各特征量關(guān)系如表5。表6，7所示為5組待測電源系統(tǒng)的健康狀態(tài)評估結(jié)果。

表5 健康狀態(tài)與特征量對應(yīng)表

表6 待測組監(jiān)測參數(shù)

表7 測試電源健康狀態(tài)評估結(jié)果

表7中分別給出歸算至基準(zhǔn)態(tài)后的電流及電壓紋波值，對應(yīng)表3即可評估待測電源輸出特性的退化程度。而基于文中所建立的健康狀態(tài)評估模型，可得電源運(yùn)行時間的評估結(jié)果。五組評估結(jié)果與實際運(yùn)行時間的誤差分別為2.52%，2.444%，3.332%，7.315%以及0.359%。第4組誤差較另外幾組較大，其原因為負(fù)載65Ω（見表6）偏離應(yīng)力設(shè)定范圍（165～245Ω）程度過大，出現(xiàn)了超出應(yīng)力響應(yīng)面的情況。

4 結(jié)論

開關(guān)電源作為電氣設(shè)備的核心部件，其健康狀態(tài)直接影響著整個系統(tǒng)的性能和可靠性。本文提出了一種新的基于EDA技術(shù)的開關(guān)電源健康狀態(tài)評估方法。

（1）通過對變壓器、鋁電解電容等關(guān)鍵元器件的特殊建模處理，建立了仿真精度較高的開關(guān)電源仿真模型。其中頻率仿真誤差為3.1%，開關(guān)管驅(qū)動波形幅值誤差為4.3%。

（2）基于試驗設(shè)計和Pspice軟件的二次開發(fā)，通過對定量注入退化的仿真模型進(jìn)行仿真及數(shù)據(jù)處理，建立了可體現(xiàn)不同退化階段電源特征的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫。在此基礎(chǔ)上，通過健康狀態(tài)評估建模，可實現(xiàn)任意應(yīng)力組合作用下開關(guān)電源的健康狀態(tài)評估。

（3）本文的研究工作，不僅可為開關(guān)電源PHM研究提供通用性平臺，相關(guān)方法亦可推廣應(yīng)用于其他電子系統(tǒng)的預(yù)測與健康管理研究中。
責(zé)任編輯：tzh