CN102937688B

CN102937688B - 二极管中点钳位三电平逆变器的器件开路故障诊断电路

Info

Publication number: CN102937688B
Application number: CN201210424906.7A
Authority: CN
Inventors: 陈丹江
Original assignee: Zhejiang Wanli College
Current assignee: Zhejiang Wanli University; Zhejiang Wanli College
Priority date: 2012-10-30
Filing date: 2012-10-30
Publication date: 2015-01-28
Anticipated expiration: 2032-10-30
Also published as: CN102937688A

Abstract

本发明公开了一种二极管中点钳位三电平逆变器的器件开路故障诊断电路，包括三个结构相同的开路故障诊断单元电路，开路故障诊断单元电路由信号采样单元、信号调整单元、窄脉冲过滤单元、第一和第二脉冲丢失检测单元及上下桥臂电路判断单元组成，利用信号采样单元对桥臂电压进行隔离采样，然后利用信号调整单元对隔离采样后的电压信号进行整流、分压和滤波处理，再利用窄脉冲过滤单元、第一和第二脉冲丢失单元判断桥臂电路中的器件是否发生开路故障，同时利用上下桥臂电路判断单元区分故障器件是上桥臂电路还是下桥臂电路中的器件，通过该开路故障诊断单元电路能够准确的检测出三电平逆变器中的哪个器件发生开路故障，且诊断速度快、诊断精度高。

Description

二极管中点钳位三电平逆变器的器件开路故障诊断电路

技术领域

本发明涉及一种逆变器故障检测技术，尤其是涉及一种二极管中点钳位三电平逆变器的器件开路故障诊断电路。

背景技术

多电平变换器是一种通过改变变换器自身拓扑结构来实现高压大功率输出的新型变换器，其无需升降压电路和均压电路。多电平变换器中最典型的是二极管中点钳位(Neutral Point Clamped，NPC)三电平逆变器，其主电路如图1所示。与传统的两电平逆变器相比，二极管NPC三电平逆变器由于输出电压电平数增加，输出波形具有更好的谐波频谱，每个开关器件所承受的电压应力较小，因此二极管NPC三电平逆变器在实际中得到了广泛的应用，比如本溪钢铁厂用于轧机上的变频器、日本700系高速列车、上海磁悬浮列车以及和谐号CRH列车等等。但是，由于二极管NPC三电平逆变器使用了数量比较多的开关器件，因此任何一个开关器件发生故障都可能会导致整个电路停止工作，不仅降低了整个电路的工作可靠性，而且有时甚至会影响到其它电路的安全，造成不可估量的经济损失。综上，如何尽早发现电路的故障对于提高二极管NPC三电平逆变器的工作可靠性具有十分重大的意义。

目前，针对二极管NPC三电平逆变器的电路故障检测方法主要是基于神经网络分析或波形观察分析等方法进行的。西安理工大学的肖刚提出了《三电平逆变器故障诊断研究》，其主要过程为：利用离散傅里叶和小波分析的方法提取故障波形的特征向量，然后用神经网络和支持向量机等智能方法进行故障诊断。该方案实现复杂，而且特征向量的提取必须按调制周期提取，诊断速度比较慢。汤清泉、颜世超、卢松升等人在中国电机工程学报提出了《三电平逆变器的功率管开路故障诊断》(2008，28(21)，26-32)，其是通过分析三电平逆变器在单个功率器件开路故障下的电路工作情况及故障表现形式，而提出的一种根据检测三电平逆变器输出侧PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)电压波形和输出电流极性来诊断功率器件开路故障的故障诊断方案。该方案具有诊断迅速、可靠性高的优点，但其诊断结果并没有精确定位到某个开关器件，而需要再进行人工查找，而且对于PWM电压波形是否异常的判断都是通过人的眼睛对示波器上的显示波形进行观察得到的，很大程度上影响了诊断结果的精确性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种实现结构简单、诊断速度快，且诊断结果能够精确定位到具体的器件，并能够有效提高二极管中点钳位三电平逆变器的工作可靠性的器件开路故障诊断电路。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种二极管中点钳位三电平逆变器的器件开路故障诊断电路，所述的二极管中点钳位三电平逆变器包括三相桥臂电路和两个直流电压源，每相所述的桥臂电路由上桥臂电路和下桥臂电路组成，所述的上桥臂电路包括第一功率开关器件、第二功率开关器件和第五功率开关器件，所述的下桥臂电路包括第三功率开关器件、第四功率开关器件和第六功率开关器件，所述的第一功率开关器件分别与其中一个所述的直流电压源、所述的第二功率开关器件及所述的第五功率开关器件连接，所述的第四功率开关器件分别与另一个所述的直流电压源、所述的第三功率开关器件及所述的第六功率开关器件连接，所述的第二功率开关器件和所述的第三功率开关器件与其所在的所述的桥臂电路的输出端连接，所述的第五功率开关器件和所述的第六功率开关器件与两个所述的直流电压源的公共连接端连接，其特征在于包括三个结构相同的开路故障诊断单元电路，三个所述的开路故障诊断单元电路一一对应的与二极管中点钳位三电平逆变器中的三相桥臂电路的输出端连接；所述的开路故障诊断单元电路主要由用于对电压信号进行隔离采样的信号采样单元、用于对电压信号进行整流、分压和滤波处理的信号调整单元、窄脉冲过滤单元、第一脉冲丢失检测单元、第二脉冲丢失检测单元及上下桥臂电路判断单元组成，所述的信号采样单元的输入端接入其中一相的桥臂电压，所述的信号采样单元的输出端与所述的信号调整单元的输入端连接，所述的信号调整单元的输出端分别与所述的窄脉冲过滤单元的输入端、所述的第一脉冲丢失检测单元的输入端和所述的第二脉冲丢失检测单元的输入端连接，所述的窄脉冲过滤单元的输出端输出用于判断每相所述的上桥臂电路中的第二功率开关器件或每相所述的下桥臂电路中的第三功率开关器件是否发生开路故障的信号，所述的第一脉冲丢失检测单元的输出端输出用于判断每相所述的上桥臂电路中的第一功率开关器件或每相所述的下桥臂电路中的第四功率开关器件是否发生开路故障的信号，所述的第二脉冲丢失检测单元的输出端输出用于判断每相所述的上桥臂电路中的第五功率开关器件或每相所述的下桥臂电路中的第六功率开关器件是否发生开路故障的信号，所述的上下桥臂电路判断单元的输入端接入其中一相的调制电压，所述的上下桥臂电路判断单元的输出端输出用于区分开路故障发生在上桥臂或下桥臂的信号。

所述的窄脉冲过滤单元的输出端、所述的第一脉冲丢失检测单元的输出端、所述的第二脉冲丢失检测单元的输出端及所述的上下桥臂电路判断单元的输出端共同连接有故障显示电路，所述的故障显示电路包括单片机和液晶显示屏，所述的单片机的输出端与所述的液晶显示屏的输入端连接；或所述的窄脉冲过滤单元的输出端、所述的第一脉冲丢失检测单元的输出端、所述的第二脉冲丢失检测单元的输出端及所述的上下桥臂电路判断单元的输出端各对应连接有LED指示灯。

所述的信号采样单元包括霍耳电压传感器，所述的霍耳电压传感器的输入端接入其中一相的桥臂电压，所述的霍耳电压传感器的输出端输出隔离采样后的电压信号；所述的上下桥臂电路判断单元包括过零比较器，所述的过零比较器的输入端接入一相的调制电压，所述的过零比较器的输出端输出用于区分开路故障发生在上桥臂或下桥臂的信号。

所述的窄脉冲过滤单元包括第一比较器、第二比较器、异或门和用于滤除误诊断的信号的窄脉冲过滤电路，所述的第一比较器的正相输入端和所述的第二比较器的正相输入端均与所述的信号调整单元的输出端连接，所述的第一比较器的反相输入端接入幅度大于2.5V且小于5V的第一参考电压，所述的第二比较器的反相输入端接入幅度大于0V且小于2.5V的第二参考电压，所述的第一比较器的输出端与所述的异或门的一个输入端连接，所述的第二比较器的输出端与所述的异或门的另一个输入端连接，所述的异或门的输出端与所述的窄脉冲过滤电路的输入端连接，所述的窄脉冲过滤电路的输出端输出用于判断每相所述的上桥臂电路中的第二功率开关器件或每相所述的下桥臂电路中的第三功率开关器件是否发生开路故障的信号。

所述的窄脉冲过滤电路主要由第一可调电阻、第二电阻、第三可调电阻、第四电阻、第一电容和放大器组成，所述的第一可调电阻的一端与所述的异或门的输出端连接，所述的第一可调电阻的另一端分别与所述的第一电容的一端和所述的放大器的反相输入端连接，所述的第一电容的另一端接地，所述的第二电阻的一端接5V电源电压，所述的第二电阻的另一端分别与所述的放大器的正相输入端和所述的第三可调电阻的一端连接，所述的第三可调电阻的另一端接地，所述的第四电阻的一端接5V电源电压，所述的第四电阻的另一端与所述的放大器的输出端连接，且其公共连接端为所述的窄脉冲过滤电路的输出端。

所述的第一脉冲丢失检测单元包括第一非门和第一脉冲丢失检测电路，所述的第一非门的输入端与所述的信号调整单元的输出端连接，所述的第一非门的输出端与所述的第一脉冲丢失检测电路的输入端连接，所述的第一脉冲丢失检测电路的输出端输出用于判断每相所述的上桥臂电路中的第一功率开关器件或每相所述的下桥臂电路中的第四功率开关器件是否发生开路故障的信号。

所述的第二脉冲丢失检测单元包括第二脉冲丢失检测电路，所述的第二脉冲丢失检测电路的输入端与所述的信号调整单元的输出端连接，所述的第二脉冲丢失检测电路的输出端输出用于判断每相所述的上桥臂电路中的第五功率开关器件或每相所述的下桥臂电路中的第六功率开关器件是否发生开路故障的信号。

所述的第二脉冲丢失检测电路的输入端与所述的信号调整单元的输出端之间连接有第二非门和第三非门，所述的第二非门的输入端与所述的信号调整单元的输出端连接，所述的第二非门的输出端与所述的第三非门的输入端连接，所述的第三非门的输出端与所述的第二脉冲丢失检测电路的输入端连接。

所述的第一脉冲丢失检测电路和所述的第二脉冲丢失检测电路的电路结构相同，主要由第五电阻、第六可调电阻、PNP型三极管、第二电容、第三电容和555芯片组成，所述的第五电阻的一端为所述的第一脉冲丢失检测电路或所述的第二脉冲丢失检测电路的输入端，所述的第五电阻的另一端分别与所述的PNP型三极管的基极和所述的555芯片的第2脚连接，所述的PNP型三极管的发射极分别与所述的第二电容的一端、所述的555芯片的第6脚、所述的555芯片的第7脚和所述的第六可调电阻的一端连接，所述的第三电容的一端与所述的555芯片的第5脚连接，所述的第六可调电阻的另一端分别与所述的555芯片的第4脚和第8脚连接，所述的555芯片的第1脚、所述的PNP型三极管的集电极、所述的第二电容的另一端和所述的第三电容的另一端均接地，所述的555芯片的第8脚接芯片工作电压，所述的555芯片的第3脚为所述的第一脉冲丢失检测电路或所述的第二脉冲丢失检测电路的输出端。

所述的信号调整单元包括全桥整流电路及第一分压电阻、第二分压电阻和滤波电容，所述的全桥整流电路由第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管组成，所述的第一二极管的正极与所述的第三二极管的负极连接，所述的第二二极管的正极与所述的第四二极管的负极连接，所述的第一二极管的正极与所述的第三二极管的负极的公共连接端及所述的第二二极管的正极与所述的第四二极管的负极的公共连接端接入隔离采样后的电压信号，所述的第一二极管的负极与所述的第二二极管的负极连接，且其公共连接端与所述的第一分压电阻的一端连接，所述的第一分压电阻的另一端与所述的第二分压电阻的一端连接，且其公共连接端为所述的信号调整单元的输出端，所述的第二分压电阻的另一端、所述的第三二极管的正极和所述的第四二极管的正极均接地，所述的滤波电容并联连接于所述的第二分压电阻的两端。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1)本发明的开路故障诊断单元电路利用信号采样单元对桥臂电压进行隔离采样，然后利用信号调整单元对隔离采样后的电压信号进行整流、分压和滤波处理，再利用窄脉冲过滤单元判断桥臂电路中与桥臂电路的输出端相连接的功率开关器件是否发生开路故障，利用第一脉冲丢失检测单元判断桥臂电路中与桥臂电路的一个直流电压源连接的功率开关器件是否发生开路故障，利用第二脉冲丢失单元判断桥臂电路中与桥臂电路的两个直流电压源的公共连接端连接的功率开关器件是否发生开路故障，最后利用上下桥臂电路判断单元区分故障的器件是上桥臂电路还是下桥臂电路中的器件，通过该开路故障诊断单元电路能够准确的检测出三电平逆变器中的哪个器件发生开路故障，且诊断速度快(通常在几个载波周期内就能够检测到发生开路故障的器件)、诊断精度高，从而减少了因故障带来的损失，有效地提高了三电平逆变器的工作可靠性；此外，本发明的开路故障诊断单元电路的实现结构简单、成本低。

附图说明

图1为二极管中点钳位三电平逆变器的主电路；

图2为开路故障诊断单元电路的电路原理框图；

图3为开路故障诊断单元电路中的信号调整电路的电路图；

图4为开路故障诊断单元电路中的窄脉冲过滤电路的电路图；

图5为开路故障诊断单元电路中的第一脉冲丢失检测电路和第二脉冲丢失检测电路的电路图；

图6为第一脉冲丢失检测电路和第二脉冲丢失检测电路工作时信号的波形示意图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

图1为二极管中点钳位三电平逆变器的主电路，其包括三相桥臂电路和两个直流电压源，每相桥臂电路由上桥臂电路和下桥臂电路组成，上桥臂电路包括第一功率开关器件(a相的S_a1、b相的S_b1、c相的S_c1)、第二功率开关器件(a相的S_a2、b相的S_b2、c相的S_c2)和第五功率开关器件(a相的D_a5、b相的D_b5、c相的D_c5)，下桥臂电路包括第三功率开关器件(a相的S_a3、b相的S_b3、c相的S_c3)、第四功率开关器件(a相的S_a4、b相的S_b4、c相的S_c4)和第六功率开关器件(a相的D_a6、b相的D_b6、c相的D_c6)，第一功率开关器件分别与其中一个直流电压源、第二功率开关器件及第五功率开关器件连接，第四功率开关器件分别与另一个直流电压源、第三功率开关器件及第六功率开关器件连接，第二功率开关器件和第三功率开关器件与其所在的桥臂电路的输出端连接，第五功率开关器件和第六功率开关器件与两个直流电压源的公共连接端连接。图1所示的主电路中如果a相的上桥臂电路中的S_a1、S_a2、D_a5，a相的下桥臂电路中的S_a3、S_a4、D_a6，b相的上桥臂电路中的S_b1、S_b2、D_b5，b相的下桥臂电路中的S_b3、S_b3、D_b6，c相的上桥臂电路中的S_c1、S_c2、D_c5，c相的下桥臂电路中的S_c3、S_c4、D_c6，其中任一个器件发生故障，均会使主电路无法正常工作，为此本发明提出了一种二极管中点钳位三电平逆变器的器件开路故障诊断电路。

本发明的器件开路故障诊断电路，其包括三个结构相同的开路故障诊断单元电路，三个开路故障诊断单元电路一一对应的与二极管中点钳位三电平逆变器中的三相桥臂电路的输出端连接，即第一个开路故障诊断单元电路与a相的桥臂电路的输出端连接(与图1中的a和o两点相连接)，第二个开路故障诊断单元电路与b相的桥臂电路的输出端连接(与图1中的b和o两点相连接)，第三个开路故障诊断单元电路与c相的桥臂电路的输出端连接(与图1中的c和o两点相连接)。

在本实施例中，开路故障诊断单元电路如图2所示，其主要由用于对电压信号进行隔离采样的信号采样单元1、用于对电压信号进行整流、分压和滤波处理的信号调整单元2、窄脉冲过滤单元3、第一脉冲丢失检测单元4、第二脉冲丢失检测单元5及上下桥臂电路判断单元6组成，信号采样单元1的输入端接入其中一相的桥臂电压(a相桥臂电压V_ao、或b相桥臂电压V_bo、或c相桥臂电压V_co)，信号采样单元1对接入的桥臂电压进行隔离采样，信号采样单元1的输出端与信号调整单元2的输入端连接，以传输隔离采样后的桥臂电压给信号调整单元2，信号调整单元2对接入的隔离采样后的桥臂电压进行整流、分压和滤波处理，信号调整单元2的输出端分别与窄脉冲过滤单元3的输入端、第一脉冲丢失检测单元4的输入端和第二脉冲丢失检测单元5的输入端连接，以传输得到的幅度为0到5V的电压信号(V’_ao或V’_bo或V’_co)给窄脉冲过滤单元3、第一脉冲丢失检测单元4和第二脉冲丢失检测单元5，窄脉冲过滤单元3的输出端输出用于判断每相上桥臂电路中的第二功率开关器件或每相下桥臂电路中的第三功率开关器件是否发生开路故障的信号(如对于a相上桥臂电路，该信号表示器件S_a2开路时对应的故障诊断信号；对于a相下桥臂电路，该信号表示器件S_a3开路时对应的故障诊断信号)，第一脉冲丢失检测单元4的输出端输出用于判断每相上桥臂电路中的第一功率开关器件或每相下桥臂电路中的第四功率开关器件是否发生开路故障的信号(如对于a相上桥臂电路，该信号表示器件S_a1开路时对应的故障诊断信号；对于a相下桥臂电路，该信号表示器件S_a4开路时对应的故障诊断信号)，第二脉冲丢失检测单元5的输出端输出用于判断每相上桥臂电路中的第五功率开关器件或每相下桥臂电路中的第六功率开关器件是否发生开路故障的信号(如对于a相上桥臂电路，该信号表示器件D_a5开路时对应的故障诊断信号；对于a相下桥臂电路，该信号表示器件D_a6开路时对应的故障诊断信号)，上下桥臂电路判断单元6的输入端接入其中一相的调制电压(a相的调制电压V_ra、或b相的调制电压V_rb、或c相的调制电压V_rc)，上下桥臂电路判断单元6的输出端输出用于区分开路故障发生在上桥臂或下桥臂的信号。在此，窄脉冲过滤单元3的输出端、第一脉冲丢失检测单元4的输出端和第二脉冲丢失检测单元5的输出端输出的信号为高电平时表示无故障，为低电平时表示发生了开路故障。

在本实施例中，窄脉冲过滤单元3的输出端、第一脉冲丢失检测单元4的输出端、第二脉冲丢失检测单元5的输出端及上下桥臂电路判断单元6的输出端共同连接有故障显示电路7，故障显示电路7包括单片机71和液晶显示屏72，单片机71的输出端与液晶显示屏72的输入端连接，通过单片机71和液晶显示屏72显示出二极管中点钳位三电平逆变器的主电路的工作情况，以此判断主电路中哪个器件发生故障。或者也可以简单化，不采用单片机，直接使窄脉冲过滤单元3的输出端、第一脉冲丢失检测单元4的输出端、第二脉冲丢失检测单元5的输出端及上下桥臂电路判断单元6的输出端各对应连接一个LED指示灯，通过LED指示灯的亮灭情况来判断主电路中哪个器件发生开路故障。在此，单片机71采用现有的任意的能够简单的做出信号区别的单片机即可。

在本实施例中，信号采样单元1包括霍耳电压传感器，霍耳电压传感器的输入端接入其中一相的桥臂电压，霍耳电压传感器的输出端输出隔离采样后的电压信号。在此，霍耳电压传感器采用现有技术。

在本实施例中，信号调整单元2如图3所示，其包括全桥整流电路及第一分压电阻R11、第二分压电阻R12和滤波电容C，全桥整流电路由第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和第四二极管D4组成，第一二极管D1的正极与第三二极管D3的负极连接，第二二极管D2的正极与第四二极管D4的负极连接，第一二极管D1的正极与第三二极管D3的负极的公共连接端及第二二极管D2的正极与第四二极管D4的负极的公共连接端接入隔离采样后的电压信号，第一二极管D1的负极与第二二极管D2的负极连接，且其公共连接端与第一分压电阻R11的一端连接，第一分压电阻R11的另一端与第二分压电阻R12的一端连接，且其公共连接端为信号调整单元2的输出端，第二分压电阻R12的另一端、第三二极管D3的正极和第四二极管D4的正极均接地，滤波电容C并联连接于第二分压电阻R12的两端。

在本实施例中，通过对图1所示的二极管中点钳位三电平逆变器的主电路故障机理分析，特别是对桥臂电压V_ao(以a相的上桥臂电路为例)在故障发生之前和故障发生之后变化情况进行对比，可以得到如下判断故障的依据，为了方便设计本发明的开路故障诊断单元电路，对隔离采样后的桥臂电压进行全波整流，相当于取绝对值：

1)如果隔离采样后的桥臂电压出现1/4U_d或-1/4U_d电平(全波整流后都为1/4U_d)，则能肯定是S_a2发生开路。

2)如果隔离采样后的桥臂电压出现较长时间(大于一个载波周期，实际上可取3-4个载波周期)的0电平(全波整流后也表现为持续0电平)，则可以肯定是S_a1发生开路。

3)如果隔离采样后的桥臂电压出现较长时间的1/2U_d和-1/2U_d切换的情况(全波整流后为持续1/2U_d电平)，则可以肯定是D_a5发生开路。

根据判断依据1)设计窄脉冲过滤单元3，窄脉冲过滤单元3包括第一比较器31、第二比较器32、异或门33和用于滤除误诊断的信号的窄脉冲过滤电路34，第一比较器31的正相输入端和第二比较器32的正相输入端均与信号调整单元2的输出端连接，第一比较器31的反相输入端接入幅度大于2.5V且小于5V的第一参考电压V_ref1，第二比较器32的反相输入端接入幅度大于0V且小于2.5V的第二参考电压V_ref2，第一比较器31的输出端与异或门33的一个输入端连接，第二比较器32的输出端与异或门33的另一个输入端连接，异或门33的输出端与窄脉冲过滤电路34的输入端连接，窄脉冲过滤电路34的输出端输出用于判断每相上桥臂电路中的第二功率开关器件或每相下桥臂电路中的第三功率开关器件是否发生开路故障的信号；窄脉冲过滤电路34如图4所示，其主要由第一可调电阻R1、第二电阻R2、第三可调电阻R3、第四电阻R4、第一电容C1和放大器U1B组成，第一可调电阻R1的一端与异或门33的输出端连接，第一可调电阻R1的另一端分别与第一电容C1的一端和放大器U1B的反相输入端连接，第一电容C1的另一端接地，第二电阻R2的一端接5V电源电压，第二电阻R2的另一端分别与放大器U1B的正相输入端和第三可调电阻R3的一端连接，第三可调电阻R3的另一端接地，第四电阻R4的一端接5V电源电压，第四电阻R4的另一端与放大器U1B的输出端连接，且其公共连接端为窄脉冲过滤电路34的输出端。

在此，窄脉冲过滤单元3中的第一参考电压V_ref1在具体实施中可取3.75V，第二参考电压V_ref2在具体实施中可取1.25V，这样可以得出：当信号调整单元2的输出端输出的电压信号V’_ao(以a相的上桥臂电路为例)的电平为5V或0V时，窄脉冲过滤单元3中的异或门33输出都为高电平(5V)，而当隔离采样后的桥臂电压出现1/4U_d，相当于V’_ao为2.5V(中间电平)时，异或门33输出低电平(0V)，即检测到S_a2开路故障。由于实际电路信号存在一定干扰，以及电路中电容等因素影响，桥臂电压高低电平之间跳变需要一定时间，在跳变过程中本发明的开路故障诊断单元电路可能会误以为检测到中间电平，导致在电路正常工作时异或门会输出一些非常窄的低电平脉冲，因此在开路故障诊断单元电路中加入了窄脉冲过滤电路，用来滤除误诊断的信号。

在本实施例中，上述判断依据2)可以利用第一脉冲丢失检测单元4来实现，第一脉冲丢失检测单元4包括第一非门41和第一脉冲丢失检测电路42，第一非门41的输入端与信号调整单元2的输出端连接，第一非门41的输出端与第一脉冲丢失检测电路42的输入端连接，第一脉冲丢失检测电路42的输出端输出用于判断每相上桥臂电路中的第一功率开关器件或每相下桥臂电路中的第四功率开关器件是否发生开路故障的信号。在此，设置第一非门不仅为了满足逻辑需要，而且对波形具有整形的作用。

在本实施例中，上述判断依据3)可以利用第二脉冲丢失检测单元5来实现，第二脉冲丢失检测单元5包括第二脉冲丢失检测电路51，第二脉冲丢失检测电路51的输入端与信号调整单元2的输出端连接，第二脉冲丢失检测电路51的输出端输出用于判断每相上桥臂电路中的第五功率开关器件或每相下桥臂电路中的第六功率开关器件是否发生开路故障的信号。

在本实施例中，第二脉冲丢失检测电路51的输入端与信号调整单元2的输出端之间连接有第二非门52和第三非门53，第二非门52的输入端与信号调整单元2的输出端连接，第二非门52的输出端与第三非门53的输入端连接，第三非门53的输出端与第二脉冲丢失检测电路51的输入端连接。在此，设置第二非门52和第三非门53不仅为了满足逻辑需要，而且对波形具有整形的作用；此外，如果三电平逆变器的功率较小，则可以不设置第二非门和第三非门，但如果三电平逆变器的功率较大，则信号受到的干扰就比较大，此时采用第二非门和第三非门进行整形，能够有效提高检测精度。

在本实施例中，第一脉冲丢失检测电路42和第二脉冲丢失检测电路51的电路结构相同，如图5所示，其主要由第五电阻R5、第六可调电阻R6、PNP型三极管Q1、第二电容C2、第三电容C3和555芯片U1组成，第五电阻R5的一端为第一脉冲丢失检测电路42或第二脉冲丢失检测电路51的输入端，第五电阻R5的另一端分别与PNP型三极管Q1的基极和555芯片U1的第2脚(触发输入端)连接，PNP型三极管Q1的发射极分别与第二电容C2的一端、555芯片U1的第6脚(阈值端)、555芯片U1的第7脚(放电端)和第六可调电阻R6的一端连接，第三电容C3的一端与555芯片U1的第5脚(控制端)连接，第六可调电阻R6的另一端分别与555芯片U1的第4脚(复位端)和第8脚(工作电压输入端)连接，555芯片U1的第1脚(接地端)、PNP型三极管Q1的集电极、第二电容C2的另一端和第三电容C3的另一端均接地，555芯片U1的第8脚接芯片工作电压，555芯片U1的第3脚(输出端)为第一脉冲丢失检测电路42或第二脉冲丢失检测电路51的输出端。图6给出了第一脉冲丢失检测电路和第二脉冲丢失检测电路工作时信号的波形，假设图6中信号A表示第一脉冲丢失检测电路或第二脉冲丢失检测电路的输入端输入的信号，信号B表示第一脉冲丢失检测电路或第二脉冲丢失检测电路内部信号，信号C表示第一脉冲丢失检测电路或第二脉冲丢失检测电路的输出端输出的信号，当信号B的幅度超过2/3V_DD(V_DD为555芯片工作电压)时，信号C由高电平跳变到低电平，即检测到开路故障。图6中△T(表示判断依据2)和3)中较长时间)由信号B的上升速度决定，可以通过外围参数进行调节，从而满足判断依据2)和3)中“较长时间”的要求。

在本实施例中，上下桥臂电路判断单元6包括过零比较器，过零比较器的输入端接入一相的调制电压，该调制电压是从驱动二极管中点钳位三电平逆变器的主电路的控制电路中获取的，过零比较器的输出端输出用于区分开路故障发生在上桥臂或下桥臂的信号，如假设a相的调制电压为Vra，则根据发生故障时Vra的极性，可以区分故障发生在上桥臂电路(S_a1、S_a2、D_a5)还是下桥臂电路(S_a3、S_a4、D_a6)中，如果Vra大于0，则确定上桥臂电路(S_a1、S_a2、D_a5)发生故障，如果Vra小于0，则确定下桥臂电路(S_a3、S_a4、D_a6)发生故障。表1给出了a相的上下桥臂电路中的器件发生开路故障的确定依据。

表1 a相的上下桥臂电路中的器件发生开路故障的确定依据

Claims

1.一种二极管中点钳位三电平逆变器的器件开路故障诊断电路，所述的二极管中点钳位三电平逆变器包括三相桥臂电路和两个直流电压源，每相所述的桥臂电路由上桥臂电路和下桥臂电路组成，所述的上桥臂电路包括第一功率开关器件、第二功率开关器件和第五功率开关器件，所述的下桥臂电路包括第三功率开关器件、第四功率开关器件和第六功率开关器件，所述的第一功率开关器件分别与其中一个所述的直流电压源、所述的第二功率开关器件及所述的第五功率开关器件连接，所述的第四功率开关器件分别与另一个所述的直流电压源、所述的第三功率开关器件及所述的第六功率开关器件连接，所述的第二功率开关器件和所述的第三功率开关器件与其所在的所述的桥臂电路的输出端连接，所述的第五功率开关器件和所述的第六功率开关器件与两个所述的直流电压源的公共连接端连接，其特征在于包括三个结构相同的开路故障诊断单元电路，三个所述的开路故障诊断单元电路一一对应的与二极管中点钳位三电平逆变器中的三相桥臂电路的输出端连接；所述的开路故障诊断单元电路主要由用于对电压信号进行隔离采样的信号采样单元、用于对电压信号进行整流、分压和滤波处理的信号调整单元、窄脉冲过滤单元、第一脉冲丢失检测单元、第二脉冲丢失检测单元及上下桥臂电路判断单元组成，所述的信号采样单元的输入端接入其中一相的桥臂电压，所述的信号采样单元的输出端与所述的信号调整单元的输入端连接，所述的信号调整单元的输出端分别与所述的窄脉冲过滤单元的输入端、所述的第一脉冲丢失检测单元的输入端和所述的第二脉冲丢失检测单元的输入端连接，所述的窄脉冲过滤单元的输出端输出用于判断每相所述的上桥臂电路中的第二功率开关器件或每相所述的下桥臂电路中的第三功率开关器件是否发生开路故障的信号，所述的第一脉冲丢失检测单元的输出端输出用于判断每相所述的上桥臂电路中的第一功率开关器件或每相所述的下桥臂电路中的第四功率开关器件是否发生开路故障的信号，所述的第二脉冲丢失检测单元的输出端输出用于判断每相所述的上桥臂电路中的第五功率开关器件或每相所述的下桥臂电路中的第六功率开关器件是否发生开路故障的信号，所述的上下桥臂电路判断单元的输入端接入其中一相的调制电压，所述的上下桥臂电路判断单元的输出端输出用于区分开路故障发生在上桥臂或下桥臂的信号。

2.根据权利要求1所述的二极管中点钳位三电平逆变器的器件开路故障诊断电路，其特征在于所述的窄脉冲过滤单元的输出端、所述的第一脉冲丢失检测单元的输出端、所述的第二脉冲丢失检测单元的输出端及所述的上下桥臂电路判断单元的输出端共同连接有故障显示电路，所述的故障显示电路包括单片机和液晶显示屏，所述的单片机的输出端与所述的液晶显示屏的输入端连接；或所述的窄脉冲过滤单元的输出端、所述的第一脉冲丢失检测单元的输出端、所述的第二脉冲丢失检测单元的输出端及所述的上下桥臂电路判断单元的输出端各对应连接有LED指示灯。

3.根据权利要求1或2所述的二极管中点钳位三电平逆变器的器件开路故障诊断电路，其特征在于所述的信号采样单元包括霍耳电压传感器，所述的霍耳电压传感器的输入端接入其中一相的桥臂电压，所述的霍耳电压传感器的输出端输出隔离采样后的电压信号；所述的上下桥臂电路判断单元包括过零比较器，所述的过零比较器的输入端接入一相的调制电压，所述的过零比较器的输出端输出用于区分开路故障发生在上桥臂或下桥臂的信号。

4.根据权利要求3所述的二极管中点钳位三电平逆变器的器件开路故障诊断电路，其特征在于所述的窄脉冲过滤单元包括第一比较器、第二比较器、异或门和用于滤除误诊断的信号的窄脉冲过滤电路，所述的第一比较器的正相输入端和所述的第二比较器的正相输入端均与所述的信号调整单元的输出端连接，所述的第一比较器的反相输入端接入幅度大于2.5V且小于5V的第一参考电压，所述的第二比较器的反相输入端接入幅度大于0V且小于2.5V的第二参考电压，所述的第一比较器的输出端与所述的异或门的一个输入端连接，所述的第二比较器的输出端与所述的异或门的另一个输入端连接，所述的异或门的输出端与所述的窄脉冲过滤电路的输入端连接，所述的窄脉冲过滤电路的输出端输出用于判断每相所述的上桥臂电路中的第二功率开关器件或每相所述的下桥臂电路中的第三功率开关器件是否发生开路故障的信号。

5.根据权利要求4所述的二极管中点钳位三电平逆变器的器件开路故障诊断电路，其特征在于所述的窄脉冲过滤电路主要由第一可调电阻、第二电阻、第三可调电阻、第四电阻、第一电容和放大器组成，所述的第一可调电阻的一端与所述的异或门的输出端连接，所述的第一可调电阻的另一端分别与所述的第一电容的一端和所述的放大器的反相输入端连接，所述的第一电容的另一端接地，所述的第二电阻的一端接5V电源电压，所述的第二电阻的另一端分别与所述的放大器的正相输入端和所述的第三可调电阻的一端连接，所述的第三可调电阻的另一端接地，所述的第四电阻的一端接5V电源电压，所述的第四电阻的另一端与所述的放大器的输出端连接，且其公共连接端为所述的窄脉冲过滤电路的输出端。

6.根据权利要求5所述的二极管中点钳位三电平逆变器的器件开路故障诊断电路，其特征在于所述的第一脉冲丢失检测单元包括第一非门和第一脉冲丢失检测电路，所述的第一非门的输入端与所述的信号调整单元的输出端连接，所述的第一非门的输出端与所述的第一脉冲丢失检测电路的输入端连接，所述的第一脉冲丢失检测电路的输出端输出用于判断每相所述的上桥臂电路中的第一功率开关器件或每相所述的下桥臂电路中的第四功率开关器件是否发生开路故障的信号。

7.根据权利要求6所述的二极管中点钳位三电平逆变器的器件开路故障诊断电路，其特征在于所述的第二脉冲丢失检测单元包括第二脉冲丢失检测电路，所述的第二脉冲丢失检测电路的输入端与所述的信号调整单元的输出端连接，所述的第二脉冲丢失检测电路的输出端输出用于判断每相所述的上桥臂电路中的第五功率开关器件或每相所述的下桥臂电路中的第六功率开关器件是否发生开路故障的信号。

8.根据权利要求7所述的二极管中点钳位三电平逆变器的器件开路故障诊断电路，其特征在于所述的第二脉冲丢失检测电路的输入端与所述的信号调整单元的输出端之间连接有第二非门和第三非门，所述的第二非门的输入端与所述的信号调整单元的输出端连接，所述的第二非门的输出端与所述的第三非门的输入端连接，所述的第三非门的输出端与所述的第二脉冲丢失检测电路的输入端连接。

9.根据权利要求8所述的二极管中点钳位三电平逆变器的器件开路故障诊断电路，其特征在于所述的第一脉冲丢失检测电路和所述的第二脉冲丢失检测电路的电路结构相同，主要由第五电阻、第六可调电阻、PNP型三极管、第二电容、第三电容和555芯片组成，所述的第五电阻的一端为所述的第一脉冲丢失检测电路或所述的第二脉冲丢失检测电路的输入端，所述的第五电阻的另一端分别与所述的PNP型三极管的基极和所述的555芯片的第2脚连接，所述的PNP型三极管的发射极分别与所述的第二电容的一端、所述的555芯片的第6脚、所述的555芯片的第7脚和所述的第六可调电阻的一端连接，所述的第三电容的一端与所述的555芯片的第5脚连接，所述的第六可调电阻的另一端分别与所述的555芯片的第4脚和第8脚连接，所述的555芯片的第1脚、所述的PNP型三极管的集电极、所述的第二电容的另一端和所述的第三电容的另一端均接地，所述的555芯片的第8脚接芯片工作电压，所述的555芯片的第3脚为所述的第一脉冲丢失检测电路或所述的第二脉冲丢失检测电路的输出端。

10.根据权利要求9所述的二极管中点钳位三电平逆变器的器件开路故障诊断电路，其特征在于所述的信号调整单元包括全桥整流电路及第一分压电阻、第二分压电阻和滤波电容，所述的全桥整流电路由第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管组成，所述的第一二极管的正极与所述的第三二极管的负极连接，所述的第二二极管的正极与所述的第四二极管的负极连接，所述的第一二极管的正极与所述的第三二极管的负极的公共连接端及所述的第二二极管的正极与所述的第四二极管的负极的公共连接端接入隔离采样后的电压信号，所述的第一二极管的负极与所述的第二二极管的负极连接，且其公共连接端与所述的第一分压电阻的一端连接，所述的第一分压电阻的另一端与所述的第二分压电阻的一端连接，且其公共连接端为所述的信号调整单元的输出端，所述的第二分压电阻的另一端、所述的第三二极管的正极和所述的第四二极管的正极均接地，所述的滤波电容并联连接于所述的第二分压电阻的两端。