CN103744013B - 全控桥式电路故障诊断方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了全控桥式电路故障诊断方法，包括：对全控桥式电路的其中任一桥臂的两只功率开关管输出互补的PWM驱动信号，同时关断该全控桥式电路的其余所有桥臂的功率开关管；检测该桥臂的实际输出电压Ux以及该全控桥式电路的电流idc；根据检测到的实际输出电压Ux和电流idc判断该桥臂的该两只功率开关管是否有故障；按照以上步骤对全控桥式电路的其余各桥臂的功率开关管进行故障诊断。本发明的全控桥式电路故障检测技术采用电压与电流相结合的方法，故障诊断更迅速，同时根据电压、电流的不同状态，可准确确定故障类型和故障点，大大减小故障排查时间。

Description

全控桥式电路故障诊断方法
技术领域
本发明涉及全控桥式电路的故障诊断方法。
背景技术
当前，全控桥式电路主要由全控型电力电子开关器件构成，根据电压、电流等级，电力电子开关器件可选择MOSFET或IGBT等。由于电力电子器件的脆弱性和控制的复杂性，功率开关器件的损坏是整个控制电路损坏的主要原因。因此，亟需通过一定的检测方法，诊断和定位出功率开关器件的故障，降低控制电路运行过程中发生故障的概率，提高整个系统运行的可靠性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种能够迅速地检测出全控桥式电路的功率开关管的故障的诊断方法，其检测结果准确可靠，并且易于实施。
本发明所采用的技术方案是：全控桥式电路故障诊断方法，该全控桥式电路包括至少一个桥臂，包括：
对全控桥式电路的其中任一桥臂的两只功率开关管输出互补的PWM驱动信号，同时关断该全控桥式电路的其余所有桥臂的功率开关管；
检测该桥臂的实际输出电压Ux以及该全控桥式电路的电流idc；
根据检测到的实际输出电压Ux和电流idc判断该桥臂的该两只功率开关管是否有故障；
按照以上步骤对全控桥式电路的其余各桥臂的功率开关管进行故障诊断。
本发明的优点是：
1、本发明可在系统初始状态下检测全控桥式电路各功率开关的状态，对出现的故障进行提前预警，降低了系统运行状态下故障发生的概率；
2、与现有的全控桥式电路诊断故障方法相比，本发明的全控桥式电路故障检测技术采用电压与电流相结合的方法，故障诊断更迅速，同时根据电压、电流的不同状态，可准确确定故障类型和故障点，大大减小故障排查时间。
附图说明
图1是根据本发明全控桥式电路故障诊断方法一实施例的流程示意图。
图2是三相全桥逆变器的一个实施例的拓扑结构示意图，图中示出了电压检测电路以及电流检测电路。
图3示出了三相全桥逆变器的一个桥臂的上、下功率开关管均正常的电路示意图。
图4示出了三相全桥逆变器的一个桥臂的上功率开关管处于断路故障时的电路示意图。
图5示出了三相全桥逆变器的一个桥臂的下功率开关管处于断路故障时的电路示意图。
图6示出了三相全桥逆变器的一个桥臂的上、下功率开关管均处于断路故障时的电路示意图。
图7示出了三相全桥逆变器的一个桥臂的上功率开关管处于短路故障时的电路示意图。
图8示出了三相全桥逆变器的一个桥臂的下功率开关管处于短路故障时的电路示意图。
图9示出了三相全桥逆变器的一个桥臂的上、下功率开关管均处于短路故障时的电路示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做出进一步说明。
请参考图1。根据本发明一实施例的全控桥式电路故障诊断方法，其中，该全控桥式电路包括至少一个桥臂，该方法包括以下步骤：
S1，对全控桥式电路的其中任一桥臂的两只功率开关管输出互补的PWM驱动信号，同时关断该全控桥式电路的其余桥臂的功率开关管；
S2，检测该桥臂的实际输出电压Ux以及该全控桥式电路的电流idc；
S3，根据检测到的输出电压Ux和电流idc判断该桥臂的该两只功率开关管是否有故障；其中：
若Uref-△U≤Ux≤Uref+△U，且idc≤i0max,则判断被测桥臂的两只功率开关管工作正常，否则，判断桥臂的两只功率开关管中至少有一只具有故障；其中，Uref为被测桥臂的输出参考电压，即希望被测桥臂输出的电压，△U为电压误差容限值（直流电压波动及电压A/D采样均会产生误差）；i0max为全控桥式电路的最大空载电流值。
进一步地，若被测桥臂的实际输出电压Ux﹤Uref-△U，且idc≤i0max,时，则判断被测桥臂的两只功率开关管中至少有一只发生了断路；当判断被测桥臂的两只功率开关管中至少有一只发生了断路时，可通过以下两种方法定位故障桥臂的故障位置，一种方法是：
对故障桥臂的上桥臂功率开关管和任一正常桥臂的下桥臂功率开关管输出互补的PWM驱动信号，同时关断该故障桥臂的下桥臂功率开关管和该正常桥臂的上桥臂功率开关管；
检测该故障桥臂和正常桥臂的两相输出电压Uy；
当两相输出电压Uy满足Uref-△U≤Uy≤Uref+△U时，则判断故障桥臂的上桥臂功率开关管正常，当两相输出电压Uy<Uref-△U，则判断故障桥臂的上桥臂功率开关管断路。
另一种方法是：
对故障桥臂的下桥臂功率开关管和任一正常桥臂的上桥臂功率开关管输出互补的PWM驱动信号，同时关断该故障桥臂的上桥臂功率开关管和该正常桥臂的下桥臂功率开关管；
检测该故障桥臂和正常桥臂的两相输出电压Uy；
当两相输出电压Uy满足Uref-△U≤Uy≤Uref+△U时，则判断故障桥臂的下桥臂功率开关管正常，当两相输出电压Uy<Uref-△U，则判断故障桥臂的下桥臂功率开关管断路。
若电流idc>i0max，则判断桥臂的两只功率开关管中至少有一只功率开关管发生了短路。若电流idc>i0max，且被测桥臂的实际输出电压Ux﹥Uref+△U，则判断被测桥臂的上功率开关管短路；若电流idc>i0max，且被测桥臂的实际输出电压Ux﹤Uref-△U，则判断被测桥臂的下功率开关管短路；若电流idc>i0max，且被测桥臂的实际输出电压Ux=Vdc/2，则判断被测桥臂的两只功率开关管均短路，其中，Vdc为该全控桥式电路的直流供电电压。
S4，按照以上步骤对全控桥式电路的其余各桥臂的功率开关管进行故障诊断。
下面以三相全桥逆变器作为全控桥式电路的一具体应用实例，来说明本发明的工作过程。该全控桥式电路还可以是三相桥式整流电路、单向桥或两相桥式电路。三相全桥逆变器的拓扑结构及电压检测电路和电流检测电路如图2所示，该逆变器用于驱动自平衡两轮车的永磁同步电机1。逆变器的功率开关管采用MOSFET，控制器2采用电动机专用控制控制芯片TMS320LF2407，直流电压采用48V电池供电，电池工作电压范围为42V～53V。驱动电路芯片3采用IR2136，该芯片通过12V电源供电，采用自举工作方式驱动MOSFET。每一桥臂的电压检测电路由两只分压电阻及电容组成，电容起滤波的作用，例如，第一相桥臂的电压检测电路由电阻Ra1和Ra2及Ca组成。电流检测电路由电阻Rd构成。
全控桥式电路的故障通常表现为电力电子器件的断路和短路故障。本发明可以在系统上电初始化后，对逆变器进行故障诊断。在逆变器与三相永磁同步电机负载没有连接时，本发明的逆变器故障诊断步骤如下:
步骤1，控制器2通过驱动电路芯片3对第一桥臂的功率开关管Q1、Q2输出互补的占空比为50%的PWM信号，关断其它两相桥臂的功率开关管Q3、Q4、Q5和Q6。
步骤2，检测第一桥臂的实际输出电压Ua（即a相桥臂的实际输出电压，第二、第三桥臂的实际输出电压分别为Ub、Uc）以及该三相全桥逆变器的电流idc。
步骤3，控制器2根据电压检测结果和电流检测结果，判断功率开关管Q1、Q2产生的故障类型和定位故障点；其中：
若（24V-5V）≤Ua≤（24V+5V），idc≤1A，则判断第一桥臂的两只功率开关管Q1、Q2工作正常，其电路示意图如图3所示；其中，在该实施例中，被测桥臂的输出参考电压为Vdc/2，即24V，△U为5V，最大空载电流值i0max＝1A。
若Ua﹤19V，idc≤1A，判断第一桥臂的两只功率开关管Q1、Q2中至少有一只发生了断路。
若idc>1A，则可判断出第一桥臂的两只功率开关管Q1、Q2中至少有一只功率开关管发生了短路：若电流idc>1A，且Ua﹥29V，则判断第一桥臂的功率开关管Q1短路，如图7所示；若电流idc>1A，且Ua﹤19V，则判断第一桥臂的功率开关管Q2短路，如图8所示；若电流idc>1A，且Ua=24V，则判断此一桥臂的两只功率开关管Q1、Q2均短路，如图9所示。
步骤4，按照以上步骤对三相全桥逆变器的第二桥臂和第三桥臂的功率开关管进行故障诊断。
更进一步地，若检测出第一桥臂的两只功率开关管Q1、Q2中至少有一只发生了断路，而第二桥臂的两只功率开关管Q3、Q4工作正常，则可通过以下方法定位第一桥臂的故障位置。首先，控制器2通过驱动电路芯片3对功率开关管Q1和Q4输出占空比50%的互补PWM控制信号，同时关断功率开关管Q2和Q3；检测第一桥臂和第二桥臂的两相输出电压Uy；当19V≤Uy≤29V时，判断功率开关管Q1正常；当Uy<19V时，判断功率开关管Q1断路。图4至图6分别示出了功率开关Q1断路、功率开关管Q2断路及功率开关管Q1和Q2同时断路的情形，在该三种情形下，均测得Ua﹤19V，idc≤1A。
以上实施方案适合采用单电源自举驱动所有桥臂的功率开关管的驱动芯片。在该三相全桥逆变器的各个功率开关管的驱动电路的电源相互独立时，该方法同样适用。另外，该功率开关管也可以采用IGBT管。
上述发明专利适合控制器在上电初始化过程中的上机自检，采用该方法，在系统上电时，检测逆变器的状态，当出现器件故障时，关闭逆变器的输出，并输出告警信号，使系统在初始化的过程中检测系统是否正常，因此大大增加自平衡两轮车系统运行的可靠性。
本发明除了应用于自平衡两轮车用永磁同步电动机驱动控制，还可应用于以桥式电路为基础的变频器、可控整流器及各类电机控制等应用领域。

Claims (8)

1.全控桥式电路故障诊断方法，该全控桥式电路包括至少一个桥臂，其特征在于，包括：
对全控桥式电路的其中任一桥臂的两只功率开关管输出互补的PWM驱动信号，同时关断该全控桥式电路的其余所有桥臂的功率开关管；
检测该桥臂的实际输出电压Ux以及该全控桥式电路的电流idc；
根据检测到的实际输出电压Ux和电流idc判断该桥臂的该两只功率开关管是否有故障；
按照以上步骤对全控桥式电路的其余各桥臂的功率开关管进行故障诊断。
2.如权利要求1所述的全控桥式电路故障诊断方法，其特征在于，若Uref-△U≤Ux≤Uref+△U，且idc≤i0max,则判断被测桥臂的两只功率开关管工作正常，否则，判断桥臂的两只功率开关管中至少有一只具有故障；其中，Uref为被测桥臂的输出参考电压，△U为电压误差容限值；i0max为全控桥式电路的最大空载电流值。
3.如权利要求2所述的全控桥式电路故障诊断方法，其特征在于，
若被测桥臂的实际输出电压Ux﹤Uref-△U，且idc≤i0max,时，则判断被测桥臂的两只功率开关管中至少有一只发生了断路；
若电流idc>i0max，则判断桥臂的两只功率开关管中至少有一只功率开关管发生了短路。
4.如权利要求3所述的全控桥式电路故障诊断方法，其特征在于，
若电流idc>i0max，且被测桥臂的实际输出电压Ux﹥Uref+△U，则判断被测桥臂的上功率开关管短路；
若电流idc>i0max，且被测桥臂的实际输出电压Ux﹤Uref-△U，则判断被测桥臂的下功率开关管短路；
若电流idc>i0max，且被测桥臂的实际输出电压Ux=Vdc/2，则判断被测桥臂的两只功率开关管均短路，其中，Vdc为该全控桥式电路的直流供电电压。
5.如权利要求3所述的全控桥式电路故障诊断方法，其特征在于，当判断被测桥臂的两只功率开关管中至少有一只发生了断路时，通过以下步骤定位故障桥臂的故障位置：
对故障桥臂的上桥臂功率开关管和任一正常桥臂的下桥臂功率开关管输出互补的PWM驱动信号，同时关断该故障桥臂的下桥臂功率开关管和该正常桥臂的上桥臂功率开关管；
检测该故障桥臂和正常桥臂的两相输出电压Uy；
当两相输出电压Uy满足Uref-△U≤Uy≤Uref+△U时，则判断故障桥臂的上桥臂功率开关管正常，当两相输出电压Uy<Uref-△U，则判断故障桥臂的上桥臂功率开关管断路。
6.如权利要求3所述的全控桥式电路故障诊断方法，其特征在于，当判断被测桥臂的两只功率开关管中至少有一只发生了断路时，通过以下步骤定位故障桥臂的故障位置：
对故障桥臂的下桥臂功率开关管和任一正常桥臂的上桥臂功率开关管输出互补的PWM驱动信号，同时关断该故障桥臂的上桥臂功率开关管和该正常桥臂的下桥臂功率开关管；
检测该故障桥臂和正常桥臂的两相输出电压Uy；
当两相输出电压Uy满足Uref-△U≤Uy≤Uref+△U时，则判断故障桥臂的下桥臂功率开关管正常，当两相输出电压Uy<Uref-△U，则判断故障桥臂的下桥臂功率开关管断路。
7.如权利要求1所述的全控桥式电路故障诊断方法，其特征在于，所述的功率开关管为MOSFET管或IGBT管。
8.如权利要求1所述的全控桥式电路故障诊断方法，其特征在于，所述的全控桥式电路为三相全桥逆变器、三相桥式整流电路、单向桥或两相桥式电路。
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