CN103472381A - 一种功率开关管故障特征参数提取方法 - Google Patents

Abstract

一种基于BOOST电路输入输出频率特性的功率开关管故障特征参数提取方法，通过向电路给定基准稳态信号中添加一定频率的正弦扰动信号，并通过驱动电压幅值可调驱动模块4调整功率开关管驱动电压幅值使得功率开关管进入饱和区工作，将所测量的输入电感电流，输出直流电压以及调制波信号经过快速傅里叶分析模块5以及电路输入输出频率特性计算模块6获得当前扰动频率下的电路输入输出频率特性，利用所获得电路输入输出频率特性对功率开关管等效导通电阻变化情况进行评估，并以此作为功率开关管故障特征参数。本发明所提出的故障特征参数提取方法，具有电路检测点少，可靠性高等突出优点。

Description

一种功率开关管故障特征参数提取方法

技术领域

本发明涉及一种基于BOOST电路输入输出频率特性的功率开关管故障特征参数提取方法，用来实现BOOST电路功率开关管故障特征参数提取，为实现BOOST电路功率开关管故障诊断及故障预测提供重要的技术基础。

技术背景

电力电子电路作为二次电源变换的关键设备，承担着向负载及用电设备供电的重要任务。功率开关管如功率MOSFET和IGBT，因其具有高开关频率，电压控制功耗低，控制驱动电路简单，广泛应用在各种功率等级下的电力电子电路中。随着电力电子电路及装置的广泛应用，特别是在一些特殊的应用场合，如航空航天领域，大功率电力电子变换领域等，实现对电力电子电路核心器件一功率开关管的故障诊断及故障预测是提高电力电子系统可靠性的一个重要手段。作为功率开关管故障诊断及故障预测的重要技术基础，研究针对功率开关管故障特征参数提取技术具有重要的理论意义和实用价值。

功率开关器件衰退情况一般可根据功率开关器件等效导通电阻的变化情况进行评估，即可将功率开关等效导通电阻作为功率开关器件故障特征参数。当功率开关特性衰退越严重，其等效导通电阻增大越明显。一般情况下，电力电子电路中高频工作的功率开关管均工作在非饱和区(可调电阻区)。在这个区域里，功率开关管等效导通电阻很小且通常为毫欧级，从而有利于减少功率开关管导通损耗。在这种情况下，当功率开关管发生衰退时，其等效导通电阻增大对于电力电子电路时域输入或输出特性所产生的影响比较微小，故难以在时域内利用电路常规检测点(如输出电压、输入电感电流等)对其进行检测。因此，为了较为精确的获得功率开关器件等效电阻变化情况，一般需要在原有电力电子电路检测点的基础上增加额外检测点，如测量功率开关管两端电压降、功率开关管导通电流等。在这种情况下，过多检测点的引入将显著增加原有电力电子电路系统的复杂性以及成本，同时亦不可避免降低了原有电路的可靠性。因此，希望能有一种方法，在不增加并利用原有系统检测点的基础上，获得可反映功率开关管等效导通电阻变化情况的电路故障特征，从而实现对功率开关管故障特征参数的提取。

发明内容：

本发明以BOOST电力电子电路中功率开关管故障特征参数提取为研究目标，旨在为实现对功率开关管故障特征参数提取提供一种新型技术方案。这种方案通过调整功率开关管驱动电压幅值使得功率开关管工作区域由通常情况下的非饱和区(可调电阻区)转向饱和区(线性放大区或恒流区)，从而突出功率开关管导通电阻衰变情况。同时利用BOOST电路现有检测点(输出电压检测、输入电感电流检测)，对BOOST电路输出电压和输入电感电流进行检测，并经过快速傅里叶分析模块与电路输入输出频率特性计算模块实现对BOOST电路输入频率特性(BOOST电路调制波到输入电感电流传递函数的幅频特性)和输出频率特性(BOOST电路调制波到输出电压传递函数的幅频特性)的测量，从而获得功率开关管导通电阻对于BOOST电路输入输出频率特性影响情况，最终实现对BOOST电路中功率开关管故障特征参数的提取。本技术方案在不增加电路检测点以及系统复杂性的前提下，能很好的实现对功率开关管故障特征参数的提取，并确保系统的安全可靠运行。

本发明的一种基于BOOST电路输入输出频率特性的功率开关管故障特征参数提取方法，包括常规BOOST电路及其直流负载1、1个用于输入电感电流误差调节的比例积分调节器(PI调节器)2、1个PWM信号生成单元3、1个具有驱动电压幅值可调的功率开关驱动模块4、1个快速傅里叶(FFT)分析模块5以及BOOST电路输入输出频率特性计算模块6。该故障特征参数提取方案主要实施过程描述如下：首先在BOOST电路电流基准信号I_ref中添加一定频率的正弦扰动信号

然后将BOOST电路的输入电感电流

与给定参考信号进行比较，比较后产生的误差信号送给比例积分调节器(PI调节器)2，PI调节器的输出信号即为BOOST电路调制波

将该调制波

与载波信号进入PWM信号生成单元3产生PWM高频脉冲信号，PWM高频脉冲信号经过驱动电压幅值可调的驱动模块4产生BOOST电路功率开关驱动信号，同时通过调整驱动电压幅值使得功率开关管进入饱和区(线性放大区或恒流区)工作。将所测量的输入电感电流

输出直流电压

以及调制波信号

送入快速傅里叶(FFT)分析模块5以及电路输入输出频率特性计算模块6最终获得当前扰动频率下的电路输入输出频率特性。更改扰动频率并重复上述过程，最终可获得一段频率区间内BOOST电路输入输出频率特性曲线。根据所获得的频率曲线可评估功率开关管等效导通电阻变化情况，从而进一步完成对BOOST电路功率开关管故障特征参数的提取。

本发明所提出的基于BOOST电路功率开关管故障特征参数提取方法有如下突出优点：

通常情况下，实现对BOOST电路闭环工作控制均需要输入电感电流检测和输出直流电压检测，因此本发明在没有增加电路额外检测点基础上，通过利用电路现有检测点，实现了对功率开关管的故障特征参数提取。检测点的减少不仅简化了电路整体结构，降低了系统成本，同时可有效避免过多检测点的引入导致电路可靠性下降等影响。

本发明所提出的基于BOOST电路功率开关管故障特征参数提取方法，具有电路检测点少、系统可靠性高等突出优点，并为功率管故障诊断和故障预测技术提供了重要的技术基础。此外，本发明所提出的技术方案可推广至BUCK电路等其他电力电子基本电路。

附图说明

图1是本发明的整体结构框图。

图1中的标号名称：1——BOOST基本电路单元及直流负载；2——比例积分调节器单元(PI调节器)；3—PWM信号产生单元；4——驱动电压幅值可调驱动模块单元；5——快速傅里叶(FFT)分析模块单元；6——电路输入输出频率特性计算单元。

图1中的主要符号名称：U_in——输入直流电源电压稳态值，I_in—BOOST电路输入电感电流稳态值，

——BOOST电路输入电感电流中扰动分量，L——BOOST电路输入滤波电感，S——功率开关管，D—BOOST电路续流二极管，R_s——功率开关管等效导通电阻，R_o——输出直流负载电阻，C_f——输出滤波电容，I_ref——电感电流基准稳态值，

——电感电流基准中正弦扰动分量，U_o——BOOST电路输出电压采样稳态值，

—BOOST电路输出电压采样中扰动分量，U_e——误差信号稳态值，

——误差信号中扰动分量，U_m——比例积分调节器输出信号(调制波信号)稳态值，

——比例积分调节器输出信号中扰动分量。

图2(a)、(b)、(c)、(d)是本发明对于BOOST电路功率开关管故障特征参数提取技术的数值仿真结果示意图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施例对本发明作进一步详细描述：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了实施方式和操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

图1所示的是本发明提出的一种基于BOOST电路输入输出频率特性的功率开关管故障特征参数提取方法的整体结构框图，包括基于高频功率开关的BOOST电路及直流负载1、1个用于电流误差调节的比例积分调节器(PI调节器)2、1个PWM信号生成单元3、1个具有驱动电压幅值可调的功率开关驱动模块4、1个快速傅里叶(FFT)分析模块5以及BOOST电路输入输出频率特性计算模块6。首先在BOOST电路电流基准信号I_ref中添加一定频率的正弦扰动信号

然后将BOOST电路的输入电感电流

与给定参考信号

进行比较，比较后输出的误差信号

送给比例积分调节器(PI调节器)2，调节器的输出信号

作为调制波并与载波信号一同进入PWM信号生成单元3产生PWM高频脉冲信号。该PWM高频脉冲信号经过驱动电压幅值可调的驱动单元4最终生成控制功率开关通断的驱动信号，同时通过调整驱动电压幅值，使得功率开关管进入饱和区(线性放大区或恒流区)工作。将所测量的含有正弦扰动分量的输入电感电流

输出直流电压

以及调制波信号

同时送入快速傅里叶(FFT)分析模块5从而获得各信号所对应扰动频率下的幅值信息。最后通过输入输出频率特性计算模块6，获得对应扰动频率下的BOOST电路调制波到输入电感电流传递函数的幅频特性(输入频率特性)以及调制波到输出电压传递函数的幅频特性(输出频率特性)。其中，BOOST电路输入频率与输出频率特性计算公式如下：

BOOST电路输入频率特性：

BOOST电路输出频率特性：

其中 $\mathrm{Mag}\left({\hat{i}}_{\mathrm{in}}\right)=20\log \left({\hat{i}}_{\mathrm{in}}\right),$ $\mathrm{Mag}\left({\hat{u}}_m\right)=20\log \left({\hat{u}}_m\right),$ $\mathrm{Mag}\left({\hat{u}}_o\right)=20\log \left({\hat{u}}_o\right)$ 可由快速傅里叶(FFT)分析模块5计算获得。

更改扰动频率并重复上述过程，最终可获得一段频率区间内BOOST电路调制波到输入电感电流传递函数的幅频特性(输入频率特性)以及调制波到输出电压传递函数的幅频特性(输出频率特性)。根据所获得的一段频率区间内的BOOST电路输入输出频率特性，可间接对功率开关管等效导通电阻变化情况进行评估。由于功率管等效导通电阻是反映功率开关管衰退情况的重要故障特征，故该方案可实现对BOOST电路中功率开关管故障特征参数的提取。

为说明本发明的正确性和可行性，对一台基于BOOST电路输入输出特性的功率开关管故障特征参数提取方法进行了仿真验证。仿真参数为：BOOST输入直流电源电压稳态值U_in=10V，输入电感电流基准稳态值I_ref=2A，其正弦扰动信号

幅值为0.2A，扰动频率范围为100Hz～10kHz，输入滤波电感L=190μH，输出滤波电容C_f=470μF，直流负载电阻R_o=5Ω，当驱动电压幅值为15V时，功率开关管初始等效导通电阻R_s=0.2Ω，当驱动电压幅值为5V时，功率开关管初始等效导通电阻R_s=1.6Ω，开关频率为100kHz。图2为该实施例的具体仿真实验波形。

图2给出了不同驱动电压幅值下，当BOOST电路功率开关管等效电阻发生变化时，电路输入输出频率特性变化情况。图2(a)所示为，当驱动电压幅值为15V时，曲线①为功率开关管等效导通电阻为初始值时，BOOST电路调制波到输出电压幅频特性(输出频率特性)；曲线②为功率开关管等效导通电阻增大一倍时，BOOST电路调制波到输出电压幅频特性(输出频率特性)。图2(b)所示为，当驱动电压为15V时，曲线①为功率开关管等效导通电阻为初始值时，BOOST电路调制波到输入电感电流幅频特性(输入频率特性)；曲线②为功率开关管等效导通电阻增大一倍时，BOOST电路调制波到输入电感电流幅频特性(输入频率特性)。图2(c)所示为，当驱动电压为5V时，曲线①为功率开关管等效导通电阻为初始值时，BOOST电路调制波到输出电压幅频特性(输出频率特性)；曲线②为功率开关管等效导通电阻增大一倍时，BOOST电路调制波到输出电压幅频特性(输出频率特性)。图2(d)所示为，当驱动电压为5V时，曲线①为功率开关管等效导通电阻为初始值时，BOOST电路调制波到输入电感电流幅频特性(输入频率特性)；曲线②为功率开关管等效导通电阻增大一倍时，BOOST电路调制波到输入电感电流幅频特性(输入频率特性)。通过对比可以看出，当驱动电压幅值为15V，在仿真所提取的频率段内(100Hz～10kHz)，由于此时BOOST电路功率开关管工作在非饱和区(可调电阻区)，故其等效导通电阻由初始值到变化一倍时对电路输入输出特性影响很小，因此难以在当前驱动电压幅值下，通过观察电路输入输出频率特性的变化情况来评估当前功率管等效导通电阻状态。当驱动电压幅值为5V，此时BOOST电路功率开关管工作在饱和区(线性放大区或恒流区)，其开关管等效导通电阻由初始值到变化一倍时对电路输入输出特性影响明显增大，即当功率开关管导通电阻增大一倍后，在仿真所提取的频率段内(100Hz～10kHz)，电路输入输出频率特性中幅值增益下降非常明显。因此可以在当前驱动电压幅值下，通过观察电路输入输出频率特性来推测功率开关管等效导通电阻增大情况，并以此作为功率开关管故障特征参数，从而完成对功率开关管故障特征参数的提取。

Claims (1)

1.一种基于BOOST电路输入输出频率特性的功率开关管故障特征参数提取方法，其特征在于，包括基于高频功率开关的BOOST电路及直流负载(1)、1个用于电流误差调节的比例积分调节器(2)、1个PWM信号生成单元(3)、1个具有驱动电压幅值可调的功率开关管驱动模块(4)、1个快速傅里叶分析模块(5)以及BOOST电路输入输出频率特性计算模块(6)；首先在BOOST电路电流基准信号稳态值Iref中添加一定频率的正弦扰动信号

然后将BOOST电路的输入电感电流

与给定参考信号

进行比较，比较后输出的误差信号

送入比例积分调节器(2)，调节器的输出信号

作为调制波并与载波信号一同进入PWM信号生成单元(3)产生PWM高频脉冲信号；该PWM高频脉冲信号经过驱动电压幅值可调的驱动单元(4)最终生成控制功率开关通断的驱动信号，同时通过调整驱动电压幅值，使得功率开关管进入饱和区工作；将所测量的含有正弦扰动分量的输入电感电流

输出直流电压

以及调制波信号

同时送入快速傅里叶分析模块(5)从而获得各信号所对应扰动频率下的幅值信息；最后通过输入输出频率特性计算模块(6)，获得对应扰动频率下的BOOST电路调制波到输入电感电流传递函数的幅频特性以及调制波到输出电压传递函数的幅频特性；更改扰动频率并重复上述过程，最终可获得一段频率区间内BOOST电路调制波到输入电感电流传递函数的幅频特性以及调制波到输出电压传递函数的幅频特性；根据所获得的一段频率区间内的BOOST电路输入输出频率特性，可间接对功率开关管等效导通电阻变化情况进行评估，从而实现对BOOST电路中功率开关管故障特征参数的提取。

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