1 引言

隨著近年來“全電”概念的提出和逐步實現，新一代裝備向全電功率能源系統的轉型已成為必然趨勢。隨著系統用電量的大幅提升，對系統電源的性能以及可靠性提出了更高的要求。據統計，34%的電氣設備故障是由電源故障引起的。電源作為系統核心部件，其重要性不言而喻。以航空機載電源為例，一旦故障必將導致機上控制、通信以及儀表等重要設備無法工作，不僅直接影響飛機穩定運行，甚至會造成墜機、爆炸等災難性后果。

對于重要設備的電源，維護是保障其可靠性的必要手段。傳統的定期維護方法，耗費巨大但仍不能顯著提高可靠性。近年來，美國軍方提出了預測與健康狀態管理（PHM，Prognostics and Health Management）以及基于狀態的智能維護（CBM，Condition Based Maintenance）技術。此技術已在如直升飛機的動力傳動等機械結構的維護中得到了廣泛的應用。隨著電子產品的飛速發展，將基于狀態的智能維護思想引入電源領域十分必要。而智能維護思想的實現，首先需要準確獲得電源的健康狀態。

目前，國內外對于電源設備PHM的研究主要集中在關鍵元器件的故障預測上。基于元器件失效機理，結合相應的加速退化手段，監測元器件的敏感退化參數，并利用預測算法進行預測。如有學者分別對MOSFET閾值電壓和導通電阻進行了監測，并利用粒子濾波、高斯回歸等算法進行了剩余壽命預測研究。類似針對于元器件本體的監測與預測方法，很難適用于系統級的PHM研究。如MOSFET在某一電源系統中時，其閾值電壓無法在線測得。另有學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，利用灰色模型、最小二乘支持向量機等方法進行退化預測研究。但相關研究中固定了工作條件狀態，無法實現不同組合應力作用下的預測和維護。本文基于EDA仿真技術，人為注入退化故障，以此開展電源健康狀態評估方法的研究。首先建立電源Pspice仿真模型，并通過試驗進行驗證及修正；然后確定關鍵元器件及其退化模型；根據主要應力剖面設計仿真方案，得到未退化及故障（退化）注入后的仿真結果，由此構建電源健康特征數據庫；最后將待評估電源的輸出數據與特征數據庫進行距離比對，從而實現對其實際健康狀態的評估。實例應用結果表明，本文方法有效可用。

1 開關電源Pspice建模及驗證

開關電源的仿真建模可由Pspice，Saber等EDA軟件實現。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，必須已知骨架結構、磁芯材料、氣隙大小、絕緣材料等相關參數，一般設計者很難準確獲得。本文采用等效電路方法進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

可通過高頻網絡分析儀、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時，由于集膚效應會使其交流阻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，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。根據鋁電解電容器的物理結構，構造其等效電路如圖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等效氧化膜介質的PN結效應。

1.3 開關電源的仿真模型及驗證

本文所建立的某開關電源仿真模型拓撲結構如圖3所示。

圖3 仿真模型拓撲結構

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

圖4 開關管驅動波形對比

圖5 開關管漏源電壓波形對比

圖6 二極管導通壓降對比

仿真模型的波形與實測波形相比，存在一定的開關振蕩，分析發現這是由于仿真算法的收斂性導致的，但對于本文的方法研究不會產生影響。同時可以看出在開關頻率方面存在一定的誤差，這是由于系統中使用的PWM芯片的固定頻率值與理想模型的誤差導致的，仿真頻率與實測頻率分別為62.5KHZ和60.6KHZ，誤差為3.1%。此外開關管驅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 開關電源輸出特性退化仿真

2.1 開關電源主要元器件退化模型

開關電源中，電解電容的性能和指標直接影響著整個系統的性能。應用情況表明，電容器發生故障的概率在整個電力電子系統中最高。而采樣電阻作為開關電源反饋控制的重要元器件，也對開關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理的分析發現，其內部物理、化學反應引起的最顯著退化是電解液的損失和等效串聯電阻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。

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；R0為電阻初值。

2.1.3 MOSFET的退化模型

MOSFET參數退化的直接原因是柵極氧化層通道遭到破壞。實驗表明MOSFET的退化會導致跨導降低、閾值電壓上升以及導通電阻的降低。其中閾值電壓的變化最為明顯，其變化會導致開通時間增長，從而導致功耗增加、溫升增大，更嚴重的退化甚至會直接降低系統的工作頻率。

閾值電壓的退化模型可以利用有效界面缺陷態密度△NIT進行描述。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

參考已有研究結果，結合相關測試與分析，確定了本文主要器件的退化參數，如表1所示。

表1 退化器件參數

2.2 仿真方案的試驗設計

已有研究表明，電源所承受應力如溫度、輸入電壓、負載電阻等，對其性能有著重要的影響。要準確評估電源健康狀態，理論上必須制備所有應力組合情況下的電源狀態標準數據庫。而多應力、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計的方法，以完成標準數據庫的建立。某開關電源技術參數如下：等效直流輸入電壓范圍380～420V，負載范圍165～245Ω，環境溫度-20～60℃，額定輸出電流為恒流710mA。結合該電源實際工作狀況，將輸入電壓、負載電阻以及環境溫度確定為3個應力因素，在各自的波動范圍內取5個水平值，采用L2553正交表設計仿真方案（如表2～3所示）。

即便是采用試驗設計，構建特征數據庫的仿真工作量仍然很大。本文利用Autoit對Pspice進行了二次開發（圖7），使其可自動修改參數并循環運行，顯著縮短了數據庫的制備周期。

表2 試驗設計方案

表3 應力組合

圖7 Pspice二次開發流程圖

3 健康狀態評估方法

本文提出的健康狀態評估方案如圖8所示。

圖8 評估方案流程圖

3.1 特征量選取

本例中，經過大量數據分析后發現，輸出電流、電壓紋波隨系統的整體退化呈現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退化程度即電源的健康狀態，故選為退化特征量。

圖9 25組不同應力條件下的輸出電流退化趨勢

圖10 25組不同應力條件下的輸出電壓紋波變化趨勢

3.2 健康狀態建模

特征量一方面受退化程度的影響，另一方面也受環境應力變化而產生偏移，如溫度上升將導致采樣電阻的漂移，使得穩定工作點隨之漂移；恒流電路中的負載變化也將對輸出紋波產生直接影響。本例利用正交試驗構建一階響應面模型，用最小二乘法對此多元函數進行擬合。由于不同的退化狀態下的應力響應面存在差異但結構相似，因此可以利用不同響應面下的相同應力狀態點的對比評估待測系統當前的狀態。為避免數據的量級不同對擬合效果產生影響，應首先對數據進行平移-極差變換處理。擬合后分別得到輸出電流及電壓紋波與環境應力的函數關系：

其中：Vin，RL，T分別對應于環境應力中的輸入電壓、負載以及溫度應力。結果表明，運行時間對輸出電流和電壓紋波影響程度最大，而溫度和負載變化也會分別對輸出電流和電壓紋波產生一定影響。

為方便研究，選取應力組合1作為基準應力狀態點。表4給出不同健康狀態下基準狀態點的輸出響應參數，即基準健康狀態。

表4 基準健康狀態表

3.3 評估實例

利用響應面模型和原始待測狀態參數，找到待測狀態在固定狀態點處的參數。將其與標準健康狀態表進行距離比對，確定近似狀態。根據電源的應用背景，我們規定電源健康狀態與各特征量關系如表5。表6，7所示為5組待測電源系統的健康狀態評估結果。

表5 健康狀態與特征量對應表

表6 待測組監測參數

表7 測試電源健康狀態評估結果

表7中分別給出歸算至基準態后的電流及電壓紋波值，對應表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評估模型，可得電源運行時間的評估結果。五組評估結果與實際運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，其原因為負載65Ω（見表6）偏離應力設定范圍（165～245Ω）程度過大，出現了超出應力響應面的情況。

4 結論

開關電源作為電氣設備的核心部件，其健康狀態直接影響著整個系統的性能和可靠性。本文提出了一種新的基于EDA技術的開關電源健康狀態評估方法。

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

（2）基于試驗設計和Pspice軟件的二次開發，通過對定量注入退化的仿真模型進行仿真及數據處理，建立了可體現不同退化階段電源特征的標準數據庫。在此基礎上，通過健康狀態評估建模，可實現任意應力組合作用下開關電源的健康狀態評估。

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