CN101793938A - 逆变器功率管开路故障的在线检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

逆变器功率管开路故障的在线检测装置及检测方法，它涉及在线检测领域，它解决了现有检测方法和装置中存在的检测速度慢。它由三个功率管开路故障的在线检测电路组成；其电路用于检测一个桥臂电路中的两个功率管的开路故障状态，并由检测用光耦电路、逻辑电路和上升沿延时电路组成；上升沿延时电路接收开关信号进行延时获得延时开关信号，并将其发送给逻辑电路；同时检测用光耦电路接收开关信号控制下输出信号，并转换为逻辑信号发送给逻辑电路；进行逻辑运算获得故障状态：

，

，为0时，则开关信号所对应控制的功率管处于开路故障状态，否则表示正常。适用于电流开或闭环的各种控制的电机驱动系统和电源系统中逆变器单管或桥臂开路故障的诊断。

Description

逆变器功率管开路故障的在线检测装置及检测方法

 

技术领域

本发明涉及在线检测领域，具体涉及逆变器中的开路故障功率管的在线检测装置及方法。

背景技术

电压源逆变器供电的电机驱动和电源系统在航空航天、军事、工业等领域得到了广泛应用，如图1所示，而整个系统中逆变器的功率器件是最易发生故障的薄弱环节，逆变器的功率器件的可靠性直接影响到整个系统的正常工作。为了提高系统的可靠性，容错控制策略常被应用到功率变换单元中，实施容错控制的前提是对功率器件中的故障进行实时有效的检测、定位和隔离。

电压源逆变器应用的广泛性和脆弱性使得其故障检测具有更重要的意义。在众多针对逆变器功率管开路故障检测的专利和文献中，其方法大致分为两类：一类是根据逆变器后端负载电流来实现开路故障的检测，这类方法至少需要采样四分之一个电周期电流波形，检测速度慢，而且不适用于采用电流闭环控制策略的系统中；另一类方法是检测逆变器系统中某部分的电压值，并与理想中的电压相比较，根据电压误差获取功率管开路故障信息，这类方法检测速度快，不受电流闭环策略影响，但需要额外的电压传感器，增加了硬件成本和复杂度。

发明内容

本发明为了解决现有检测方法和装置中存在的检测速度慢，而且不适用于采用电流闭环控制策略的系统中的问题或需要额外的电压传感器，增加了硬件成本和复杂度的缺点，以及防止因功率管故障造成的系统停机，提高逆变器系统的可靠性提供检测保障，而提出了一种逆变器功率管开路故障的在线检测装置及检测方法。

逆变器功率管开路故障的在线检测装置由三个功率管开路故障的在线检测电路组成；所述的每个功率管开路故障的在线检测电路均由检测用光耦电路、逻辑电路和上升沿延时电路组成；每个功率管开路故障的在线检测电路设置有一路逆变器电路输入端、两路开关信号输入端和两路故障输出端；每个功率管开路故障的在线检测电路用于检测一个桥臂电路中的两个功率管的开路故障状态，检测用光耦电路的输入端为功率管开路故障的在线检测电路的逆变器电路输入端，上升沿延时电路的两个开关信号输入端为功率管开路故障的在线检测电路的两路开关信号输入端，逻辑电路的信号输入端连接检测用光耦电路的输出端，逻辑电路的两个开关信号输入端分别连接上升沿延时电路的开关信号输出端，逻辑电路的两个故障信号输出端分别为一个桥臂电路中的两个功率管的开路故障信号输出端。

逆变器功率管开路故障的在线检测方法是将逆变器功率管开路故障的在线检测装置中的三个功率管开路故障的在线检测电路分别与待测逆变器的三个桥臂电路进行连接，所述的功率管开路故障的在线检测电路对在线状态下的待测逆变器的一个桥臂电路中的两个功率管进行开路故障检测，其步骤如下：

步骤一：上升沿延时电路的两个开关信号输入端分别接收待测逆变器的一个桥臂电路中的两个功率管的开关信号s ₊ 、s _{_} 进行延时分别获得两个延时开关信号s' ₊ 、s' _{_} ，并将所述两个延时开关信号s' ₊ 、s' _{_} 发送给逻辑电路；同时检测用光耦电路的输入端接收所述桥臂电路在开关信号s ₊ 、s _{_} 控制下输出的信号，并将接收到的信号转换为逻辑信号u _o发送给逻辑电路；

步骤二：逻辑电路对输入的三个信号进行逻辑运算分别获得所述桥臂电路中两个开关管的故障状态：

，

，其中n为奇数、m为偶数；当F _Tn为0时，表示开关信号s ₊ 所对应控制的功率管处于开路故障状态，否则表示正常；当F _Tm为0时，表示开关信号s _{_} 所对应控制的功率管处于开路故障状态，否则表示正常。

本发明的技术方案是利用逆变器开关函数模型，根据故障时功率开关器件所承受的电压与正常状态不同，再借助光耦间接检测功率管压降，并结合功率管驱动信号，由逻辑电路实现开路故障功率管的诊断和定位。也就是当逆变器功率管发生开路故障时，开关信号到来时功率管因故障不能导通，在特定的负载电流方向情况下，可能造成功率管所承受电压与正常工作时的不同，通过检测功率管承受电压并与正常时相比较，即可检测出故障所在。为了检测功率管承受电压，采用快速检测光耦将功率管承受电压转换为光耦的通断，通过光耦输出信号与开关信号进行逻辑运算，等效地完成电压比较，从而判断出功率管是否发生了故障。该方案实现简单、快速性好、安全可靠。适用于电流开环或闭环的各种控制策略的电机驱动系统和电源系统中电压源逆变器单管或桥臂开路故障的诊断，不会因电流的畸变而影响诊断的有效性。

附图说明

图1为已有的电压源逆变器拓扑结构图；图2为本发明装置的总体连接示意图；图3为本发明装置中的一个功率管开路故障的在线检测电路的结构示意图；图4为本发明装置中的一个功率管开路故障的在线检测电路的电路结构示意图；图5至图10为下功率开关管T₂正常状态和下功率开关管T₂发生开路故障状态下的负载电流流通路径图，图5中s _a+=1，s _a-=0，i _a＞0；图6中s _a+=0，s _a-=0，i _a＞0；图7中s _a+=0，s _a-=1，i _a＞0；图8中s _a+=1，s _a-=0，i _a<0；图9中s _a+=0，s _a-=0，i _a<0；图10中s _a+=0，s _a-=1，i _a<0；图11为下功率开关管T₂正常状态和下功率开关管T₂发生开路故障状态下的时序图，其中A为上功率开关管T₁开路；图12和图13分别为本发明采用的驱动信号上升沿延时电路；图14为下功率开关管T₂发生开路故障状态下的时序图，其中i _a<0，B为上升沿延时，C为T₂关断延时，D为T₂开通延时，E为误诊断；图15至图20为上功率开关管T₁正常状态和上功率开关管T₁发生开路故障状态下的负载电流流通路径图，图15中s _a+=1，s _a-=0，i _a＞0；图16中s _a+=0，s _a-=0，i _a＞0；图17中s _a+=0，s _a-=1，i _a＞0；图18中s _a+=1，s _a-=0，i _a<0；图19中s _a+=0，s _a-=0，i _a<0；图20中s _a+=0，s _a-=1，i _a<0；图21为上功率开关管T₁正常状态和上功率开关管T₁发生开路故障状态下的时序图，其中F为上功率开关管T₂开路；图22为上功率开关管T₁发生开路故障状态下的时序图，其中i _a>0，G为上升沿延时，H为T₂关断延时，I为T₂开通延时，J为误诊断；图23为下功率开关管T₂发生开路故障状态时负载电流与检测输出的故障信号对照图；图24为上功率开关管T₁发生开路故障状态时负载电流与检测输出的故障信号对照图；图25为下功率开关管T₂和上功率开关管T₁同时发生开路故障时负载电流与检测输出的下管开路故障信号对照图；图26为下功率开关管T₂和上功率开关管T₁同时发生开路故障时负载电流与检测输出的上管开路故障信号对照图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图2至图4说明本实施方式，本实施方式中的逆变器功率管开路故障的在线检测装置设置有三路逆变器电路输入端、六路开关信号输入端和六路故障输出端；

所述的逆变器功率管开路故障的在线检测装置由三个功率管开路故障的在线检测电路组成；即为a相桥臂功率管开路故障的在线检测电路、b相桥臂功率管开路故障的在线检测电路和c相桥臂功率管开路故障的在线检测电路；

所述的每个功率管开路故障的在线检测电路均由检测用光耦电路1、逻辑电路2和上升沿延时电路3组成；每个功率管开路故障的在线检测电路设置有一路逆变器电路输入端、两路开关信号输入端和两路故障输出端；每个功率管开路故障的在线检测电路用于检测一个桥臂电路中的两个功率管的开路故障状态，检测用光耦电路1的输入端为功率管开路故障的在线检测电路的逆变器电路输入端，上升沿延时电路3的两个开关信号输入端为功率管开路故障的在线检测电路的两路开关信号输入端，逻辑电路2的信号输入端连接检测用光耦电路1的输出端，逻辑电路2的两个开关信号输入端分别连接上升沿延时电路3的开关信号输出端，逻辑电路2的两个故障信号输出端分别为一个桥臂电路中的两个功率管的开路故障信号输出端。

所述的三路逆变器电路输入端分别为逆变器的a相桥臂功率管开路故障的在线检测电路的逆变器电路输入端、b相桥臂功率管开路故障的在线检测电路的逆变器电路输入端和相桥臂功率管开路故障的在线检测电路的逆变器电路输入端；

所述的六路开关信号输入端分别为a相桥臂功率管开路故障的在线检测电路的两路开关信号输入端、b相桥臂功率管开路故障的在线检测电路的两路开关信号输入端和c相桥臂功率管开路故障的在线检测电路的两路开关信号输入端；

所述的六路故障输出端分别为a相桥臂功率管开路故障的在线检测电路的两路故障输出端、b相桥臂功率管开路故障的在线检测电路的两路故障输出端和c相桥臂功率管开路故障的在线检测电路的两路故障输出端；

利用上升沿延时电路3来消除因开关信号隔离、驱动电路和功率管开关延时等导致的误诊断。

具体实施方式二：结合图4说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于检测用光耦电路1由高速光耦P、快恢复二极管D_g、电容C和两个电阻组成；快恢复二极管D_g的阴极为检测用光耦电路1的输入端，用于采集被检测逆变器中一个桥臂电路的输出信号；快恢复二极管D_g的阳极与高速光耦P中发光二极管的阴极相连接，高速光耦P中发光二极管的的阳极与第一电阻R1的一端相连接，第一电阻R1的另一端与+15V电源相连，高速光耦P中光敏三极管的发射极同时连接+5V电源地和电容C的一端，高速光耦P中光敏三极管的集电极同时连接电容C的另一端和第二电阻R2的一端，并且为检测用光耦电路1的输出端，第二电阻R2的另一端与+5V电源相连。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图4说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一不同点在于逻辑电路2由一个反相器和两个与非门组成；逻辑电路2的信号输入端接收到的信号同时发送给第一与非门的一个输入端和反相器的输入端，逻辑电路2的一个开关信号输入端接收到的开关信号发送给第一与非门的另一个输入端，逻辑电路2的另一个开关信号输入端接收到的开关信号发送给第二与非门的一个输入端，第二与非门的另一个输入端接收反相器的输出端发送出的反相信号，第一与非门的输出端和第二与非门的输出端分别输出下功率管故障信号和上功率管故障信号，所述的第一与非门的输出端和第二与非门的输出端即为逻辑电路2的两个故障信号输出端。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式中的逆变器功率管开路故障的在线检测方法是将逆变器功率管开路故障的在线检测装置中的三个功率管开路故障的在线检测电路分别与待测逆变器的三个桥臂电路进行连接，所述的功率管开路故障的在线检测电路对在线状态下的待测逆变器的一个桥臂电路中的两个功率管进行开路故障检测，其步骤如下：

步骤一：上升沿延时电路3的两个开关信号输入端分别接收待测逆变器的一个桥臂电路中的两个功率管的开关信号s ₊ 、s-进行延时分别获得两个延时开关信号s' ₊ 、s' _- ，并将所述两个延时开关信号s' ₊ 、s' _- 发送给逻辑电路2；同时检测用光耦电路1的输入端接收所述桥臂电路在开关信号s ₊ 、s-控制下输出的信号，并将接收到的信号转换为逻辑信号u _o发送给逻辑电路2；所述逻辑电路2同时接收到的两个功率管的开关信号的延时开关信号、以及所述开关信号控制两个功率管所获得的逻辑信号；上述开关信号均为同一信号；

步骤二：逻辑电路2对输入的三个信号进行逻辑运算分别获得所述桥臂电路中两个开关管的故障状态：

，

，其中n为奇数、m为偶数；当F _Tn为0时，表示开关信号s ₊ 所对应控制的功率管处于开路故障状态，否则表示正常；当F _Tm为0时，表示开关信号s _- 所对应控制的功率管处于开路故障状态，否则表示正常。

采用逆变器功率管开路故障的在线检测装置及检测方法对逆变器中a桥臂功率管（T₁和T₂）做开路故障检测来说明具体的检测原理：

（1）             下功率开关管T₂开路故障检测

通过图5至图10中的负载电流流通路径表示下功率开关管T₂正常状态和下功率开关管T₂发生开路故障状态；

图5至图9，下功率开关管T₂正常状态和下功率开关管T₂发生开路故障状态时的电流路径相同，电流路径如图5至图9中的虚线所示；

图10(当s _a+=0，s _a-=1，i _a<0时)，下功率开关管T₂正常状态下，电流路径如图10中的粗实线所示；下功率开关管T₂开路故障状态下，电流路径如图10中虚线所示；此时下功率开关管T₂开路故障状态导致此导通状态下功率管压降的不同，即a点电位的不同。

正常状态下各功率管集电极-发射极电压与开关信号的函数公式：

通过上述函数公式得到正常状态下功率开关管承受的电压。

功率开关管承受的电压与开关信号及负载电流的关系，如表1，其中a相负载电流，以流入负载方向为正i _a＞0，流出为负i _a<0；s _a+和s _a-分别代表a相桥臂上管开关信号和下管开关信号；u _T1和u _T2分别正常状态时T₁管承受的电压和T₂管承受的电压，u' _T1和u' _T2分别为下功率开关管T₂开路故障后T₁管承受的电压和T₂管承受的电压。

表1正常状态和T₂开路故障状态下功率管电压与开关信号及负载电流关系

由上表1和图5至图10可知，

当s _a+=1，s _a-=0，i _a＞0或s _a+=0，s _a-=0，i _a＞0或s _a+=0，s _a-=1，i _a＞0或s _a+=1，s _a-=0，i _a<0或s _a+=0，s _a-=0，i _a<0时，T₂开路故障状态下的功率管承受的电压与T₂正常状态下的功率管承受的电压相同，此阶段检测功率器件电压并不能获取T₂的故障信息。

当s _a+=0，s _a-=1，i _a<0时，T₂驱动信号使其开通，由于T₂发生开路故障，从电机负载流出的电流只能通过D₁续流，如图10，T₂承受电压U _d，T₁两端电压为0，这与正常状态下各功率管集电极-发射极电压与开关信号的函数公式得到的正常电压值不相符，因此，通过功率器件实际承受电压（u' _T1，u' _T2）与正常电压值（u _T1，u _T2）之间的误差来判断器件是否发生了开路故障。

图11为下功率开关管T₂正常状态和下功率开关管T₂发生开路故障状态下的时序图；上功率开关管T₁和下功率开关管T₂承受的电压反映了a点的电位值，因此，通过检测a点电位来检测器件的故障。本发明利用高速光耦P间接检测a点电位。

由图4和图11可知，

当T₂开路故障下，s _a-=1不能使T₂开通，则负载流出的电流只能通过D₁续流，T₂承受电压U _d，检测用光耦电路1的输出端输出u _o为高电平。u _o与s _a-逻辑与非得到故障信号F _T2，F _T2为低电平时，表示T₂开路故障。

然而，功率开关管并不是理想的开关，存在开通和关断延时。在s _a-的上升沿，由于T₂的开通有一个过程，一段时间内T₂仍承受电压U _d，信号

出现低电平窄脉冲，致使电路发生误检测，检测时序（i _a<0）如图24。分析可知，在功率开关管关断阶段的延时不会影响到检测电路的有效性。为了防止因功率开关管开通延时导致的误检测，可对下管驱动信号进行适当延时后得到s' _a-再与u _o取逻辑与非，即

，延时电路如图23所示。s' _a-的产生除了要消除功率开关管开通延时的影响，还要考虑到驱动信号发生到功率开关管栅极间隔离和驱动电路的延时，以及检测光耦及滤波给u _o带来的延迟。

（2）             上功率开关管T₁开路故障检测

与T₂开路故障的分析方法同理，T₁正常状态和T₁开路故障状态下的电流路径和电压时序分别如图15至图22所示。

功率开关管承受的电压与开关信号及负载电流的关系，如表2所示。

表2正常状态和T₁开路故障状态下功率管电压与开关信号及负载电流关系

从图15至图20和表2可知，

当s _a+=1，s _a-=0，i _a>0时，导通状态模式下，T₁开路故障下电流流通路径和功率管承受电压与正常状态发生了变化，检测电路同样利用这一不同来实现的。

如图4所示，T₁开路故障检测也是借助于检测a点电位值来实现的。同样，采用对s _a+上升沿延时得到s' _a+，再求

的方法可得到故障的有效检测信号，以消除误检测，检测时序（i _a>0）如图22所示。

图23和图24分别为下功率开关管T₂和上功率开关管T₁发生开路故障状态时负载电流与检测输出的故障信号对照图；图25和图26分别为a相桥臂上下功率开关管同时发生开路故障时，负载电流与下、上管分别故障检测输出信号对照图。图23至图26中i _a为a相负载电流、F _T1为上功率管故障信号、F _T2为下功率管故障信号。

本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。 

Claims (4)

1.逆变器功率管开路故障的在线检测装置，其特征在于所述的逆变器功率管开路故障的在线检测装置由三个功率管开路故障的在线检测电路组成；所述的每个功率管开路故障的在线检测电路均由检测用光耦电路(1)、逻辑电路(2)和上升沿延时电路(3)组成；每个功率管开路故障的在线检测电路设置有一路逆变器电路输入端、两路开关信号输入端和两路故障输出端；每个功率管开路故障的在线检测电路用于检测一个桥臂电路中的两个功率管的开路故障状态，检测用光耦电路(1)的输入端为功率管开路故障的在线检测电路的逆变器电路输入端，上升沿延时电路(3)的两个开关信号输入端为功率管开路故障的在线检测电路的两路开关信号输入端，逻辑电路(2)的信号输入端连接检测用光耦电路(1)的输出端，逻辑电路(2)的两个开关信号输入端分别连接上升沿延时电路(3)的开关信号输出端，逻辑电路(2)的两个故障信号输出端分别为一个桥臂电路中的两个功率管的开路故障信号输出端。

2.根据权利要求1所述的逆变器功率管开路故障的在线检测装置，其特征在于检测用光耦电路(1)由高速光耦P、快恢复二极管D_g、电容C和两个电阻组成；快恢复二极管D_g的阴极为检测用光耦电路(1)的输入端，用于采集被检测逆变器中一个桥臂电路的输出信号；快恢复二极管D_g的阳极与高速光耦P中发光二极管的阴极相连接，高速光耦P中发光二极管的的阳极与第一电阻R1的一端相连接，第一电阻R1的另一端与+15V电源相连，高速光耦P中光敏三极管的发射极同时连接+5V电源地和电容C的一端，高速光耦P中光敏三极管的集电极同时连接电容C的另一端和第二电阻R2的一端，并且为检测用光耦电路(1)的输出端，第二电阻R2的另一端与+5V电源相连。

3.根据权利要求1所述的逆变器功率管开路故障的在线检测装置，其特征在于逻辑电路(2)由一个反相器和两个与非门组成；逻辑电路(2)的信号输入端接收到的信号同时发送给第一与非门的一个输入端和反相器的输入端，逻辑电路(2)的一个开关信号输入端接收到的开关信号发送给第一与非门的另一个输入端，逻辑电路(2)的另一个开关信号输入端接收到的开关信号发送给第二与非门的一个输入端，第二与非门的另一个输入端接收反相器的输出端发送出的反相信号，第一与非门的输出端和第二与非门的输出端分别输出下功率管故障信号和上功率管故障信号，所述的第一与非门的输出端和第二与非门的输出端即为逻辑电路(2)的两个故障信号输出端。

4.逆变器功率管开路故障的在线检测方法，其特征在于将逆变器功率管开路故障的在线检测装置中的三个功率管开路故障的在线检测电路分别与待测逆变器的三个桥臂电路进行连接，所述的功率管开路故障的在线检测电路对在线状态下的待测逆变器的一个桥臂电路中的两个功率管进行开路故障检测，其步骤如下：

步骤一：上升沿延时电路(3)的两个开关信号输入端分别接收待测逆变器的一个桥臂电路中的两个功率管的开关信号s ₊ 、s-进行延时分别获得两个延时开关信号s' ₊ 、s' _- ，并将所述两个延时开关信号s' ₊ 、s' _- 发送给逻辑电路(2)；同时检测用光耦电路(1)的输入端接收所述桥臂电路在开关信号s ₊ 、s-控制下输出的信号，并将接收到的信号转换为逻辑信号u _o发送给逻辑电路(2)；

步骤二：逻辑电路(2)对输入的三个信号进行逻辑运算分别获得所述桥臂电路中两个开关管的故障状态：

，

，其中n为奇数、m为偶数；当F _Tn为0时，表示开关信号s ₊ 所对应控制的功率管处于开路故障状态，否则表示正常；当F _Tm为0时，表示开关信号s _- 所对应控制的功率管处于开路故障状态，否则表示正常。

Images