CN104730404A - 用于诊断功率变换系统中的短路和开路的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明为“用于诊断功率变换系统中的短路和开路的系统和方法”。一种用于隔离和检测高电压多电平逆变器中的故障电装置的系统，包括由控制器驱动的输入驱动器；故障测试系统；设为从故障测试系统接收数据和诊断信息的接收器装置；以及结果显示器。还提供有一种用于隔离和检测高电压多电平逆变器中的电装置内的短路、开路或光纤故障的方法。

Description

用于诊断功率变换系统中的短路和开路的系统和方法

技术领域

本发明涉及测试电装置。更确切地来说，本发明涉及检测并隔离H桥变换器内具有短路或开路的电装置。

背景技术

一般地，功率变换电路是指实现电功率的改变的任何电路，如逆变器、整流器、开关桥等。功率变换电路使用多种技术，如脉宽调制（PWM）生成具有期望电压和频率的交流（AC）功率的合理再生。功率变换电路在许多装置中获得应用，许多装置尤其例如AC电动机驱动器、变频驱动器和高电压功率传输。

功率变换电路和其他电子系统常常使用特殊驱动器和接收器，如低电压差分发信号（LVDS）驱动器和接收器、通过线缆传送信号。LVDS驱动器具有分开沿着线缆传送到LVDS接收器的两个输出。在线缆的LVDS接收器端，线路通过端接电阻器连接在一起。电流回路始发于一个传送器输出，下至线缆线路，经由端接电阻器，返回线缆线路至另一个传送器输出。电流回路在端接电阻器两端产生电压降，并且LVDS接收器感测该电压降。

许多功率变换电路包括在紧容限下制造的复杂半导体电路。因此，这些嵌入的装置经受因过载导致的故障或失效。再有，由于半导体电路的复杂性，在一段时间之后，电路组件可能无法最优地实现性能。例如，线缆线路可能变得断开和/或失效，传送器可能失效或处于高阻抗输出状态；或端接电阻器可能失效。在低于最优性能的时间期间，电路内的输出线路都不驱动到端接电阻器，导致端接电阻器两端的电压下降到接近0。

除了组件故障外，噪声可能影响电路两端的电压降。噪声可能从多种噪声源耦合到线缆线路中。此噪声可能作为输入被接收到接收器中并被放大。接收器的输出可能在噪声被放大时振荡，并相应地触发错误的LVDS接收器逻辑。

为了防止电路故障所导致的问题或使其最小化，使用故障防护电路。已开发多种方法来解决与隔离功率变换器内故障的电装置关联的问题。一种解决方案产生短路检测的生产测试过程。但是，此解决方案无法解决开路故障检测信息异常。 

其他短路检测系统向现有系统添加附加硬件，使得此类检测系统成本过于高昂。还尝试过检测功率变换器中具有开路的电装置。一种解决方案使用弱电流源将LVDS路径拖向电源轨(supply rail)以生成故障信号来检测开路故障。但是，此解决方案仅允许同时测试最多两个电路信号。

发明内容

鉴于前文提到的缺点，存在不增加附件硬件的情况下在逆变器离线时快速执行的故障检测的需求。该解决方案还应该能够一次同时测试多于两个的开路。

在某些情况下，本发明的实施例提供允许精确地检测故障发生的系统和方法。更确切地来说，隔离特定故障装置或开路位置，能够实现快速地识别和即刻解决。识别和解决问题所需的时间缩短能够增加故障查找的快速性和准确性，从而最终减少变换器的停工时间。

在该实施例中，能够将特定故障电装置与系统内的其他电装置隔离。这种电装置识别和隔离通过经系统施以脉冲测试来进行。在正、负和中性位置对每个桥施以脉冲。该脉冲能够实现诊断信息在功率系统内快速运动。此外，该脉冲能够实现诊断信息的准确性。 

另一个优点在于能够在功率变换系统离线时执行短路和开路诊断测试。在系统离线时运行诊断测试是所需要，因为这样使测试能在非峰值使用时间期间进行。此外，离线运行测试使得测试能够以比在线执行测试的情况下所能达到的更低的电流和电压进行。 

在某些实施例中，在正、负和中性位置对每个桥施以脉冲测试。在这些实施例中，在系统离线时施以脉冲。当典型高功率变换系统在线时，电流约接近10安培，以及电压约接近10000伏特。当典型系统离线时，电流小于约1安培，以及电压约接近1000伏特。

另一个优点在于能够在不向功率系统添加附加硬件的情况下使用该系统和方法。现有技术需要向功率变换系统添加辅助硬件，如半导体，才能进行故障分析。需要附加硬件增加了功率系统的运行成本，并且未提供允许检测特定故障装置的附加优点。

在某些实施例中，这些系统和方法使用现有功率系统编程来安装用于故障检测分析的子程序。该子程序需要施以脉冲测试的简单化指令。由于其简单性，此子程序能够在主程序安装之前安装或基于临时目的来安装。

本发明的另一个特征和优点以及本发明的多种实施例结构和操作参考附图、在下文中予以详细描述。注意本发明不限于本文描述的特定实施例。本文给出此类实施例仅出于说明的目的。相关领域技术人员基于本文包含的教导将显见到额外实施例。

根据第一方面，提供了一种用于隔离和检测高电压多电平逆变器中的故障电装置的系统，包括：输入驱动器，所述输入驱动器设为从控制器接收输入信号，并向所述控制器传送输出信号；故障测试系统，所述故障测试系统包括第一检测程序和第二检测程序；接收器装置，所述接收器装置设为通过第一信号从所述第一检测程序接收测试数据和诊断信息或通过第二信号从所述第二检测程序接收测试数据和诊断信息；以及结果显示器，所述结果显示器设为从所述接收器装置接收测试数据。

优选地，所述故障测试系统设在所述输入驱动器与所述接收器装置之间。

优选地，所述第一检测程序向所述接收器装置传送所述第一信号，大约同时所述第二检测程序传送所述第二信号，所述第一信号和所述第二信号两者都传送到所述接收器装置。

优选地，所述故障测试系统还包括可选程序，所述可选程序设为从所述输入驱动器接收控制信号，以及设为通过信号将测试数据传送到接收器装置。

优选地，根据第一方面的系统还包括存储器资料库。进一步地，所述存储器资料库设为通过输入信号从所述故障测试系统接收测试数据和诊断信息。进一步地，所述存储器资料库设为通过输出信号将测试数据或先前存储的信息传送所述故障测试系统或通过信号将测试数据或先前存储的信息传送到所述接收器装置。

根据第二方面，提供了一种用于隔离和检测高电压多电平逆变器内的故障电装置的方法，包括：经由每个电装置传送电流以确定所述逆变器内的电装置是否有短路；以指定的配置布置所述逆变器内的所述电装置，其中至少一个电装置为“导通”以及其余电装置为“关断”；扫描所述逆变器内“导通”的电装置以确定所述DC总线是否已被充电；将所述DC总线没有充电报告为短路测试失败；将所述DC总线的充电报告为短路测试通过。

优选地，根据第二方面的方法还包括对电装置的短电容器充电并报告所述短电容器的充电失败为短路测试失败。

优选地，根据第二方面的方法还包括验证每个电装置均已被扫描。

优选地，根据第二方面的方法还包括将所述测试数据和诊断信息传送到显示器。

优选地，根据第二方面的方法还包括进行电装置的光纤测试，所述光纤测试包括将所述DC总线放电到基本接近0，向所述电装置发送信号，确定所述电装置是否产生应答违规，报告所述电装置是否包含光纤故障或不包含光纤故障，以及在显示器上显示所述电装置的所述报告。进一步地，所述光纤测试还包括验证已向每个电装置发送信号。

根据第三方面，提供了一种用于隔离和检测高电压多电平逆变器电路中的故障电装置的方法，包括：以指定的配置布置电路内的所述电装置，其中一些电装置为“导通”以及一些电装置为“关断”；持续指定的时间对配置内的每个电装置施加脉冲为正电压；持续指定的时间对所述配置内的每个电装置施加脉冲为中性电压；持续指定的时间对所述配置内的每个电装置施加脉冲为负电压；如果所述电装置不因为在所述正电压、所述中性电压或所述负电压下施加脉冲而充电，则报告所述电装置为开路测试失败；以及如果所述电装置因为在所述正电压、所述中性电压或所述负电压下施加脉冲而充电，则报告所述电装置为开路测试通过。

优选地，根据第三方面的方法还包括将所述电装置的所述DC电容器放电，然后对所述DC电容器再充电，此后才以指定的配置布置所述电装置。进一步地，还包括将浮动电容器充电失败报告为开路测试失败。

优选地，施加脉冲为所述正电压、中性电压和负电压的所述指定的时间是基本相等的。

优选地，在相同的指定的时间期间测试与特定相位关联的所述电装置。

优选地，根据第三方面的方法还包括进行所述电装置的光纤测试，所述光纤测试包括将所述DC总线放电到基本接近0，向所述电装置发送信号，确定所述电装置是否产生应答违规，报告所述电装置是否包含光纤故障或不包含光纤故障，以及在显示器上显示所述电装置的所述报告。进一步地，所述光纤测试还包括验证已向每个电装置发送门信号。

附图说明

并入本文并形成说明书一部分的附图图示本发明，以及与说明书一起进一步用于解释本发明的原理并使相关领域技术人员能够实施和使用本发明。

图1是描绘根据示范实施例的故障检测系统的框图。

图2是描绘根据示范实施例的测试控制命令的执行的流程图。

图3是描绘根据示范实施例的用于执行短路测试序列的某些方法的流程图。

图4是描绘根据示范实施例的用于执行开路测试序列的某些方法的流程图。

图5是描绘根据示范实施例的用于执行光纤测试序列的某些方法的流程图。

具体实施方式

虽然本发明在本文是结合特定应用的说明性实施例来描述的，但是应该理解本发明不限于此。阅读本文提供的原理阐述的本领域技术人员将认识到本发明范围内和本发明具有重大实用性的附加领域中的附加修改、应用和实施例。 

除非另行定义，否则本文使用的技术和科学术语具有与本发明披露所属领域中的普通技术人员所共识的相同含义。如本文所使用的术语“第一”、“第二”等不表示任何次序、数量或重要性，而是用于将元件彼此区分。再有，术语“一”不表示数量的限制，而是表示存在所引用的项中的至少其中之一。术语“或”意味着是包含性的，并且意味着所列出的项的二者中任一个、多个中任一个、数个或全部。本文使用“包括”、“包含”或“具有”及其变体意味着涵盖其后列出的项及其等效物以及附加项。术语“连接”和“耦合”不限于物理或机械连接或耦合，并且包括电连接或耦合，无论是直接的还是间接。术语“电路”和“控制器”可以包含单个组件或多个组件，组件可以是有源和/或无源组件，并且可以可选地连接或以其他方式耦合以提供所描述的功能。

图1是描绘根据示范实施例的功率变换故障检测系统100的框图。故障检测系统100包括输入驱动器110、故障测试程序120、接收器装置130和结果显示器140。

输入驱动器110引导流经变换电路的电流。输入驱动器110向故障测试程序120提供对电装置101运行故障测试的初始请求。

输入驱动器110能够设为按自动间隔时间运行，例如，设为无论何时只要功率变换系统离线就运行的测试。输入驱动器110可以包括如晶体管、功率引脚、LVDS输入缓冲器的组件。还包括的有用于将并行数据变换成串行数据以及反之的通用异步接收器/传送器（UART）或其他装置。输入驱动器110还可以包括用于辅助驱动器电路的功能的其他组件。 

在一些实施例中，对于输入驱动器110可能期望与控制器105交换信号，控制器105从控制单元102接收功率。控制器105可以通过输入信号107来通信，输入信号107向输入驱动器110传送命令，或通过输出信号108来通信，输出信号108使控制器能从输入驱动器110接收命令。来自控制器105的输入信号可以包括LVDS、低电压正发射极耦合的逻辑（LVPECL）、电流模式逻辑（CML）和高速收发器逻辑（HSTL）。来自控制器105的输入信号还可以包括串行短线端接逻辑（SSTL）或低电压晶体管间逻辑（LVTTL）/低电压互补金属氧化物半导体（LVCMOS）。

控制器105可以是微控制器、微处理器、可编程逻辑控制器（PLC）、复杂可编程逻辑装置（CPLD）、现场可编程门阵列（FPGA）等。该控制器可以使用代码库、静态分析工具、软件、硬件、固件等。硬件或固件的任何使用包括组合单一用途和通用系统的优点可从FPGA获得的一定程度的灵活性和高性能。在阅读了本文描述之后，相关领域技术人员将显见到如何使用其他计算机系统和/或计算机体系结构实现本发明。

控制器105内包括的FPGA可以包括如UART或其他相当装置的组件。FPGA还可以包括纠错和转换（ECAT）功能，包括单一纠错功能或双重纠错功能或指示错误或帮助纠错命令的其他奇偶校验信号。此外，控制器105可以在其协议分组内包括“单元测试模式启用/禁用”命令。

该控制器使用FPGA的用户编程可以通过使用（例如，来自FPGA供应商或第三方工具供应商的）准许的外部工具来完成。这些工具对于本领域技术人员是公知的，并且用于创建可下载的配置文件。然后可以将该配置文件导入到PLC编程工具中，并与特定任务关联以由可配置硬件来执行。

控制单元102可以是中央处理单元（CPU）、多点控制单元（MPU）或其他数据管理装置。控制单元102还可以包括如用于控制故障测试程序120的测试功能的功能块图（function block diagrams）的组件。再有，可以包括ECAT功能作为控制单元102的一部分，包括单一纠错功能或双重纠错功能或指示错误或帮助纠错命令的其他奇偶校验信号。

对于串联连接的开关装置，可以使用分布接口板（DIB）来起控制器105的作用以减少功率接口板（PIBe）的触发端口使用。典型地，在PIBe内，对于CPU或MPU，即控制单元102来说，区分这些电装置是不可能的。在DIB板内使用FPGA，此问题是可校正的。

可以使用附加的输入/输出系统（I/O系统）来与控制器105交换信息。这些I/0系统可以包括但不限于对应于每个继电器的继电器驱动输出、指示器输出和逻辑输出。

故障检测系统100还包括故障测试程序120。故障测试程序120将由输入驱动器110接收的测试命令请求经由输入信号128传送到电装置101。一旦对电装置101完成了故障测试程序120，则通过输出信号129经由故障测试程序120将测试数据回传。故障测试程序120可以测试一个或多个电装置，如在给定时间测试的电装置101。

故障测试程序120包括第一检测程序122和第二检测程序124。故障测试程序120使用经由控制信号112从输入驱动器110传送的测试命令请求来发起故障测试的启动。第一检测程序122和第二检测程序124可以是短路程序、开路程序或将检测变换电路内的故障的其他程序。但是，第一检测程序122应该执行与第二检测程序124不同的功能。

例如，如果第一检测程序122执行短路故障检测，则第二检测程序124可以执行开路故障检测。第一检测程序122和第二检测程序124还可以按控制器105确定的指定序列来运行。

来自第一检测程序122的测试数据传送到（i）第二检测程序124，（ii）接收器装置130或（iii）存储器资料库150。信号123将测试数据从第一检测程序122传送到第二检测程序124或从第一检测程序122传送到接收器装置130。此外，输入信号152可以将测试数据从第一检测程序122传送到存储器资料库150。来自第二检测程序124的测试数据（i）经信号132传送到接收器装置130或（ii）经输入信号152传送到存储器资料库150。

故障测试程序120还可以运行可选程序126。可选程序126可以被经信号114向故障测试程序120传送测试控制命令的输入驱动器110调用。该可选程序可以运行与第一检测程序122和第二检测程序124相似的测试，只要没有测试彼此重复即可。此外，可能期望让第一检测程序122、第二检测程序124和/或可选程序126在电路离线时执行。

可以通过传送输入信号152可选地将从故障测试程序120生成的故障测试数据存储到存储器资料库150中。存储器资料库150还可以通过传送输出信号154将存储的故障测试数据回传到故障测试程序120。存储器资料库150可以包括随机存取存储器（RAM）、只读存储器（ROM）或其他适合的数据存储。存储器资料库150还可以设在对于故障测试程序120为内部或为外部的位置，以及可以封装在经通信网络或类似结构传送数据的场外位置处。

可以将故障测试数据作为置于任何公知计算机可使用介质（包括半导体、磁盘、光盘（如CD-ROM、DVD-ROM））中的计算机可读代码来传送，以及作为包含在计算机可使用（例如，可读）传送介质（如，载波或包括基于数字、光或模拟的介质）中的计算机数据信号来传送。

由此，可以通过包括因特网和内联网的通信网络来传送代码。应该理解，上文描述的这些系统和技术实现的功能和/或提供的结构能够在程序代码中嵌入的核（如图形处理单元（GPU）核）中表示，并且能够作为集成电路的生成的一部分转换到硬件中。

典型的LVDS接收器接受经变换电路传递的电流。除了接受电流外，接收器装置130还接受故障测试程序120生成的测试数据。一旦故障测试程序120完成第一检测程序122和第二检测程序124，则将测试数据经信号132传送到接收器装置130。但是，可将来自第一检测程序122的测试数据经信号（未示出）直接传送到接收器装置130。此外，如果故障测试程序120运行可选程序126，则来自可选程序126的测试数据将经信号134被传送到接收器装置130。再者，存储器资料库150可以通过传送信号136将存储的测试数据直接传送到接收器装置130。 

接收器装置130可以包括如用于沿着特定方向驱动电流源的晶体管、汲取特定量的电流的功率引脚、LVDS接收器缓冲器、UART或数据转换装置或用于辅助接收器的功能的其他组件的组件。

传送到接收器装置130的测试数据显示在结果显示器140上。显示器140可以呈示来自任何诊断测试模式，例如短路测试、开路测试、光纤测试或其任何组合的结果。结果显示器140可以呈示来自单个程序或同时来自多个程序的结果。结果显示器140可以包括传达信息的任何方式，如显示器、扬声器或能够将信息从一个介质中继到另一个介质的其他外部辅助装置。

正如本领域技术人员理解的，故障检测系统100可以包括一个或多个其他装置和组件。例如，控制器105可以从多个CPU或MPU接收数据传输。此外，输入驱动器110、故障测试程序120和接收器装置130可以作为DIB的一部分或其他智能平台管理接口来连接。此连接使故障检测系统100的组件能够作为单个系统来实现功能。

图2是描绘与故障测试程序120关联来描述的测试控制命令的执行的示例的流程图。图2的流程图详述故障测试程序200传送信号和接收有关指定的电装置的信息的过程。故障测试程序200在步骤205处处于空闲系统状态中。一旦故障测试程序200接收到测试控制命令210，则故障测试程序200期望执行复位215以移除任何先前编程状态。在步骤210处，复位215被激活以将DC总线放电，并允许测试控制命令，以便指定是要运行第一测试序列220还是要运行第二测试序列220。

第一测试序列220由运行短路测试230和开路测试240组成。短路测试230在将某些开关选通以置于正、中性、负或“关断”状态之后，将电路的DC电容器放电和再充电。在步骤235处，验证来自短路测试230的测试数据。来自每个电装置的测试数据通过报告信号237被传送到测试数据报告270。报告信号237能够可选地仅传送故障电装置的信息，而非每个电装置的信息。对于无法充电的电装置，测试数据报告270显示故障电装置中的短路以用于流线型诊断和修复。

当电路的每个桥相位具有其自己的DC总线时，短路测试230基于桥选择向每个DC总线提供分开的充电，以便实现隔离灵活性。出于完整诊断的目的，期望在每个桥相位执行短路测试230。但是，如果用户有指示特定桥相位有故障电装置，则可以对选择桥相位执行短路测试230。在这种情况中，可以隔离特定桥，并对该桥执行短路测试230。

可以由控制器来指定对指定的桥运行短路测试230的命令，类似于上文描述的控制器105的情况。与短路测试230关联的进一步细节与图3关联进行描述。

在完成短路测试230之后，测试控制命令执行开路测试240。开路测试240包括用于向每个电装置发送脉冲测试的基于时间的过程。开路测试240形成经功率变换系统的电组件的电流回路。电流回路的形成确切地与电路拓扑相关。

电流回路的数量将取决于（1）电路内的相位数，（2）每个相位中的电装置的数量，不包括用于协助换接正和负电压状态的辅助支持的电装置，以及（3）每个相位内的电平的数量。如果在步骤245处验证了开路测试结果时没有检测到电压和电流，则开路测试240将经报告信号247报告开路故障。

报告信号247将测试数据从开路测试240传送到测试数据报告270。报告信号247传送的测试数据可以是来自被测电装置的单独故障测试数据、来自被测装置的所有测试数据或其某种组合。有关开路测试的更多细节与图4关联进行描述。

第二测试序列220由运行光纤测试260组成。光纤测试260应该在每个桥相位处执行，并且对于每个电装置连接，光纤测试260确定是否有与该电装置关联的应答（ACK）违规。一旦完成光纤测试260，则在步骤265处验证结果，并且报告信号267将测试数据从光纤测试260传送到测试数据报告270。报告信号267传送的测试数据可以是来自被测电装置的单独故障测试数据、来自被测装置的所有测试数据或其某种组合。有关光纤测试的更多细节与图5关联进行描述。

图3是说明执行短路测试的示范过程的流程图。该流程图详细描述空闲系统状态205接收测试控制命令210需求的短路测试300，与图2关联来描述的过程。在测试控制命令210执行短路测试300之前，在步骤215处可以将空闲系统状态205复位。

在步骤215处复位之后，传送控制信号217以执行短路测试300。注意，在短路测试300开始之前，电路驱动器，即根据图1描述的输入驱动器110应该处于单元测试模式。一旦电路驱动器置于测试模式，则短路测试300首先通过步骤310处执行电容器短路测试来确保DC电容器的功能性。如果DC电容器中存在短路，则在步骤320处，电装置未通过电容器短路测试，并且在步骤365处，将报告短路测试失败，并在步骤370处显示短路测试失败。

如果在步骤320处，DC电容器中不存在短路，则在步骤330处，该电装置经历扫试（sweep）测试。扫试测试330，也称为通过测试，是一种为了确定电装置是否有缺陷装置的诊断目的而运行的测试。电路内的电装置无论是串联还是并联连接，均可以执行扫试测试330内进行的扫试。320处的扫试测试在每个电压电平处运行扫试，例如，对完整的电压周期运行扫试，以确保电路在每个电压电平处合适的功能性。例如，当在典型的五电平拓扑中检测到短路，则为了测试到该电路，需要七个步长，即七个扫试。

注意，如果该电路包含串联连接的电装置，则在步骤330处的扫试测试结束之后，可能不报告短路故障。但是，如果没有电装置串联，则在步骤330处的扫试测试结束之后，可以报告任何短路故障。

一旦步骤330处的扫试测试结束，则在步骤340处，短路测试300执行扫描测试（scan test）。仅在拓扑具有串联连接的电装置时才需要步骤340处的扫描测试。340处的扫描测试的过程期间，电装置通过其中产生不同开关单元配置的连续步骤。确切地来说，串联内的一个电装置“导通”，而串联内的其余电装置被旁路，例如，这些电装置被“关断”。如果处于“导通”位置的电装置有短路，则DC总线将无法充电。

在步骤350处，DC总线的充电将确定电装置是否“通过”扫描测试。如果DC总线未充电，即，电装置未通过步骤350处的扫描测试，则在步骤365处将短路测试数据发送到测试失败，在步骤370处将其显示在显示屏或其他媒体上。如果DC总线充电，即，电装置“通过”步骤350处的扫描测试，则在步骤360处电装置接收到短路测试通过结果，在步骤370处将其显示。短路测试300接着对单个电装置进行步骤330处的扫试测试和步骤340处的扫描测试，直到串联内的所有装置均已被测试为止。

作为示例，在三电平逆变器中，每个电平由电装置，即开关表示。开关1和2（S1、S2）串联连接且位于正电压下；开关3和4（S3、S4）串联连接且位于负电压下；以及开关5和6串联连接且位于中性电压下以用于协助从正电压到负电压的换接以及反之。下文控制信号表（表I）中描绘打开和闭合电装置，即S1-S6以将它们“导通”和“关断”的过程。在表I中，“1”的值表示应该“导通”才能达到给定输出电压的电装置。

表I

如表I中说明的，每个开关位置组合用于测试每个电装置。在所有配置中，每个电装置被赋予“导通”和“关断”的机会以检查连通性。应该注意在每个电压电平处，位于中性位置的至少一个开关，即S5或S6必须“导通”以协助电压换接。

还可以外推开关状态以适应从五电平逆变器到多达n电平逆变器的附加逆变器电平。在五电平拓扑中，有内部电平的开关，确切地来说为S1至S6，和外部电平的开关，确切地来说为T1至T6。与S电平相似，其中S1、S2位于正电压下，S3、S4位于负电压下和S5、S6位于中性电压下，T电平具有串联连接且位于正电压下的开关T1和T2（T1、T2）。开关T3和T4（T3、T4）串联连接且位于负电压下。开关T5和T6串联连接且位于中性电压下。表II中描绘五电平逆变器的外推。

表II

正如表II所描绘的，当外推到五电平逆变器或更大电平逆变器时，开关表应该测试一个电平内的开关，例如S电平，同时保持其他电平的开关状态（例如，T电平直至n电平）恒定。例如，当电压是+2V且这些开关位于正电压下，即，S1、S2和S5“导通”时，对应的外部电平开关T1、T2和T5也应该“导通”。但是，当电压从+2V换接到+1V时的下一个周期期间，T电平应该在相同开关配置中保持恒定，即，T1、T2和T5应该“导通”，而仅S电平应该改变配置。 

再有，注意可以对变化的多电平逆变器实施步骤340处的扫描测试，这些变化的多电平逆变器包括但不限于中性点导向（NPP）、中性点钳位（NPC）、飞电容器、级联多电平和总谐波失真（THD）。多电平逆变器可以具有并联的电平的拓扑，即在嵌套拓扑中，T电平开关与S电平开关并联，例如S电平开关被嵌套在T电平开关内侧。

再次参考图3的流程图，一旦在步骤340处，电装置完成了扫描测试，则在步骤350处，短路测试300确定电装置是否通过扫试测试和扫描测试。在步骤365处，将未同时通过扫试测试和扫描测试的任何电装置均报告为短路测试失败，并在步骤370处进行显示。如果不存在故障，则在步骤355处，短路测试300确保所有扫试已经完成。 

如果电路或电压电平尚未被扫试，则短路测试300返回到步骤330处的扫试测试和步骤340处的扫描测试。一旦完成任何其余扫试测试，则在步骤360处，通过扫试测试和扫描测试的电装置将通过短路测试，并且将在步骤370处报告结果。

图4是描绘用于执行开路测试序列400的某些方法的流程图。结合执行短路测试，与短路测试300相似，在短路测试结束之前或结束时进行开路测试可能是有益的。

开路测试400可以配置成对任何回路设计拓扑运行，如H桥设计。该回路设计拓扑可以包括回路设计拓扑内的其他嵌套或并联拓扑。开路测试400还可以诊断其中在电路配置中使用大量串联开关装置的高电压功率应用中的电装置中的开路。

在开路测试400中，如果该测试在短路测试之前运行，则开路测试400将以空闲系统状态205接收测试控制命令210需求开始，如图2所示。在测试控制命令210执行开路测试400之前，在步骤215处可以将空闲系统状态205复位。但是，如果开路测试400在短路测试300结束时运行，则开路测试400将过首先在电路的电装置上，在步骤405处将DC总线电容器放电，然后在步骤410处对DC总线电容器再充电。 

对DC总线电容器放电然后再充电使得开路测试400能够确定电装置是否能够维持新的电荷。在步骤415处，DC电容器无法维持电荷指示该电装置存在问题，在此情况中在步骤465处将该电装置报告为开路并在步骤470处显示结果。如果电装置的DC电容器能够维持电荷，则在步骤420处，开路测试400对浮动电容器充电。

对浮动电容器充电还使开路测试400能够检查DC总线中的浮动节点中的开路。如果在步骤425处，浮动电容器未充电，则在步骤465处还将该电装置报告为开路测试失败，并在步骤470处显示结果。一旦确定浮动电容器接受电荷，则在步骤430处，开路测试400确定浮动电压是否太低。可以将低浮动电压阈值设为开路测试400内的内部极限。该阈值可以位于该功率系统的离线电压的10-50%中任何位置。

一旦开路测试400验证DC和浮动电容器电压，则开路测试400在步骤420处对电装置执行脉冲测试。在步骤420处的脉冲测试内，首先，经该电装置对442处的正电流回路施加脉冲。接下来，在步骤444处，对电流回路施加脉冲，同时电装置位于中性位置处。最后，在步骤446处，经该电装置对负电流回路施加脉冲，同时该电装置位于负位置处。注意电流回路施加脉冲的次序还可以反过来，其中运行负电流回路，然后运行中性电流回路，最后运行正电流回路。执行电流回路的次序不如每个配置处运行电流回路重要。

一旦420处在每个状态下进行了脉冲测试，则电路内的电装置重新布置成不同的配置，并在新配置中施以420处的脉冲测试。重复重新布置电装置并进行新脉冲测试的过程，直到所有配置状态均完成为止。

作为示例，H桥拓扑包含形成第一垂直分支的串联连接的装置、形成第二垂直分支的串联连接的装置和形成水平分支的串联连接的装置，水平分支连接到第一和第二分支。水平分支是支持相位分支，其协助从正电压换接到负电压以及反之。在420处的脉冲测试期间，应该将此水平支持分支设为“关断”，以使电流从连接到正电压节点的第一垂直分支传送到连接到正电压节点的第二垂直分支。相似地，将水平支持分支设为“关断”使电流能够从连接到负电压节点的第一垂直分支传送到连接到负电压节点的第二垂直分支。

对给定状态内的开关的每个配置执行电流回路。由此，特定拓扑中必须运行的电流回路的数量x由如下公式推导：

x = [相位数] * [每个相位的电装置的数量] * [每个相位的电平的数量]

例如，考虑单相多电平逆变器拓扑，其中一个开关连接到正节点，一个开关连接到负节点，以及中性处有两个辅助支持开关以协助换接。对于该特定拓扑，电流回路的数量将是六个，因为有一个相位，该相位中有两个电装置（即，正节点处一个和负节点处一个），和三个开关状态（即，正、负和中性）。注意电流回路的数量不包含辅助支持开关，因为它们保持“关断”以允许电流通过。表III中可见到单相位三电平逆变器的特定电流回路。

表III

如表III中所见，在每个电流回路期间，对于每个电流回路，一次仅测试一个电装置，即，在正电流回路、中性电流回路和负电流回路处仅测试一个电装置。该开关表将要创建电流回路以确定电装置内是否有开路的每个可能配置纳入考虑。

可以将表III外推为包括具有串联的多至n个电装置的电路的电流回路组合。正如上文提到的，电流回路的数量将取决于（1）电路内的相位数，（2）每个相位中的主电装置的数量，以及（3）每个相位（即正、中性和负）内的电平的数量。例如，在具有四个主电装置的单相位电路中，440处的脉冲测试将运行12个电流回路，具有六个主电装置的二相位电路将具有36个电流回路。在嵌套的拓扑中，420处的脉冲测试首先对外部电平的电装置执行电流回路。如果未将电流回路指定为遵循特定序列，则420处的脉冲测试还可以生成附加的开关配置样式以隔离开路。

在步骤420处进行脉冲测试之后，在步骤450处，开路测试400评估该电装置是否“通过”脉冲测试。如果在步骤450处，电装置未通过脉冲测试，则在步骤465处报告开路电路测试失败，并在步骤470处进行显示。如果在步骤450处，电装置通过脉冲测试，则在步骤455处，开路电路测试400确定是否已完成所有脉冲测试。如果不是所有脉冲测试均已完成，则在步骤420处运行其余脉冲测试之前，在步骤430处，开路测试400选择尚未测试的电装置，并复查电压。如果所有脉冲测试已完成，则在步骤460处报告开路测试通过，并在步骤470处进行显示。

评估开路测试400内测试的每个电装置的测试数据的过程可以发生在（1）运行每个个体电流回路之后，（2）运行相同类型的所有回路之后，例如运行所有正回路之后，或（3）运行所有回路之后，即在所有回路完成之后进行。

图5是描绘执行光纤测试的某些方法的流程图。可以实施光纤测试以测量电路两端的相对功率损耗。

光纤测试开始于控制单元102（与图1关联来描述）设置“开始”命令信号，并经由控制器105传送“开始”命令信号，其将故障测试程序120配置成单元测试模式。在单元测试模式中，将测试控制命令编码，以使经历光纤测试的电装置将处于“导通”，以及其他电装置将被旁路。例如，在具有六个串联连接电装置的电路中，要对第三电装置运行光纤测试的编码将是“00XX1XXX”。相似地，对第六个电装置的编码将是“00XXXXX1”。以此方式，控制单元102将能够对串联的每个电装置发命令，因此光纤测试变得彼此相同。

如图5所示，该流程图详细描述空闲系统状态205接收测试控制命令210需求的光纤测试500，与图2关联来描述的过程。在测试控制命令210执行短路测试300之前，在步骤215处必须将空闲系统状态205复位。在步骤215处复位之后，传送控制信号219以执行光纤测试500。此外，测试控制命令210可以具有缺省定时间隔以及对于每个电装置具有可调间隔时间。在每个定时间隔期间，光纤测试500创建指定时间段（10毫秒与100毫秒中间）的脉冲。可以将此脉冲与普通PWM事件区分，以便易于测试数据的报告。

首先，在步骤510处，光纤测试500确定DC总线电压是否接近0。如果电压大于0，则在步骤515处将DC总线放电，并且在510处再次检查电压。一旦电压接近0，则在520处，向每个电装置发送信号。与图1关联描述的控制器105可以包括如详细描述每个电路的测试序列的预设次序的参数，或控制器105可以从（也与图1关联描述的）存储器资料库150中检索存储的信息。检查堆栈内在步骤520处发送到每个电装置的信号以核对来自电装置的ACK返回，然后在步骤525处报告ACK违规（光纤连接断开等）。

步骤525处的ACK违规是传输控制协议（TCP）中用来应答数据分组接收的标志。光纤测试500具有“开始”命令信号，发出此命令以开始光纤测试500，和“停止”命令信号，此信号用于结束光纤测试500。在“开始”命令信号与“停止”命令信号之间的时间执行步骤525处ACK违规的采样检查。ACK违规的极性还可以是用于控制器105内设置的参数。该命令模式将是“”，其中每个串联连接电装置的“导通”/“关断”状态持续交替出现，具体视电装置的数量而定。

如果步骤525处，电装置创建ACK违规，则在步骤535处，该电装置传送光纤测试失败，然后在显示器550处对其进行报告。如果步骤525处没有ACK违规，则在530处，光纤测试500扫描以确保所有电装置已经被测试。如果并非所有电装置均已被测试时，则在520处向未测试的电装置发送测试信号以确定是否有525处的ACK违规。如果步骤530处，所有电装置均已被测试，则在步骤540处，该电装置传送光纤测试通过，然后在显示器550处对其进行报告。

应该注意，如果525处没有ACK违规，则可能的是电装置在540处立即传送测试通过而非在530处确保所有电装置已经被测试。此外，可以在测试每个装置时按顺序各将535处的测试失败信号或540处的测试通过信号的传输报告到显示器550，或可以在整个光纤测试500结束时，将从每个电装置报告的信息发送到显示器550。

在光纤测试500结束时，控制单元102将传送禁用单元测试模式的命令。禁用测试单元模式的触发命令将是“”，其中每个串联电装置的“导通”/“关断”状态持续交替出现，具体视电装置的数量而定。

要认识到，具体实施方式部分和发明内容以及摘要部分均无意用于解释权利要求。发明内容和摘要部分可能提出发明人设想的本发明的一个或多个但非全部示范实施例，并且因此无意以任何方式限制本发明和所附权利要求。

部件列表

图1

100 - 系统

101- 电装置

102- 控制单元

105- 控制器

107- 输入信号

108- 输出信号

112- 控制信号

114- 信号

120- 故障测试程序

122- 第一检测程序

123- 信号

124- 第二检测程序

126- 可选程序

128 – 输入信号

129- 输出信号

130- 接收器装置

132- 信号

134- 信号

136- 信号

140- 结果显示器

150- 存储器资料库

152- 输入信号

154- 输出信号

图2

200- 故障测试程序

205- 步骤

210- 测试控制命令

215- 复位

217- 控制信号

219- 控制信号

220- 测试序列

230- 短路测试

235- 步骤 - 验证结果

237- 报告信号

240- 开路测试

245- 步骤 - 验证结果

247- 报告信号

250- 

260- 光纤测试

265- 步骤 - 验证结果

图3

205- 空闲系统状态

210- 测试控制命令

215- 复位

300- 短路测试

310, 320, 330, 340, 350, 355, 360, 365, 370- 步骤

图4

400- 开路测试

405, 410, 415, 420, 425, 430, 442, 444, 446, 450, 455, 460, 465, 470- 步骤

440- 脉冲测试

图5

205- 空闲系统状态

210- 测试控制命令

215- 复位

500- 光纤测试

510, 515, 520, 525, 530, 535, 540, 550 步骤。

Claims (10)

1. 一种用于隔离和检测高电压多电平逆变器中的故障电装置的系统，包括：

输入驱动器，所述输入驱动器设为从控制器接收输入信号，并向所述控制器传送输出信号；

故障测试系统，所述故障测试系统包括第一检测程序和第二检测程序；

接收器装置，所述接收器装置设为通过第一信号从所述第一检测程序接收测试数据和诊断信息或通过第二信号从所述第二检测程序接收测试数据和诊断信息；以及

结果显示器，所述结果显示器设为从所述接收器装置接收测试数据。

2. 如权利要求1所述的系统，其中所述故障测试系统设在所述输入驱动器与所述接收器装置之间。

3. 如权利要求1所述的系统，其中所述第一检测程序向所述接收器装置传送所述第一信号，大约同时所述第二检测程序传送所述第二信号，所述第一信号和所述第二信号两者都传送到所述接收器装置。

4. 如权利要求1所述的系统，所述故障测试系统还包括可选程序，所述可选程序设为从所述输入驱动器接收控制信号，以及设为通过信号将测试数据传送到接收器装置。

5. 如权利要求1所述的系统，还包括存储器资料库。

6. 如权利要求5所述的系统，其中所述存储器资料库设为通过输入信号从所述故障测试系统接收测试数据和诊断信息。

7. 如权利要求5所述的系统，其中所述存储器资料库设为通过输出信号将测试数据或先前存储的信息传送所述故障测试系统或通过信号将测试数据或先前存储的信息传送到所述接收器装置。

8. 一种用于隔离和检测高电压多电平逆变器内的故障电装置的方法，包括：

经由每个电装置传送电流以确定所述逆变器内的电装置是否有短路；

以指定的配置布置所述逆变器内的所述电装置，其中至少一个电装置为“导通”以及其余电装置为“关断”；

扫描所述逆变器内“导通”的电装置以确定所述DC总线是否已被充电；

将所述DC总线没有充电报告为短路测试失败；

将所述DC总线的充电报告为短路测试通过。

9. 如权利要求8所述的方法，还包括对电装置的短电容器充电并报告所述短电容器的充电失败为短路测试失败。

10. 如权利要求8所述的方法，还包括验证每个电装置均已被扫描。