CN105044539B - 一种功率器件igbt开路故障注入方法及系统 - Google Patents
一种功率器件igbt开路故障注入方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种功率器件IGBT开路故障注入方法及系统，该方法包括步骤：建立IGBT故障注入信号的时间序列描述及其伪周期时间序列描述；构建IGBT开路故障注入器；并将其以串行连接方式接入到IGBT的控制信号接收端；设置故障注入信号的触发值和故障注入器的参数，控制故障注入器输出既有正常信号又含有故障注入信号的调理信号，一并注入到被测IGBT的控制信号接收端。该系统包括故障注入器等，用于生成故障注入信号并叠加到正常信号上输出调理信号。本发明可根据实际需要完成对不同IGBT开路故障表现形式的故障注入，为IGBT开路故障的诊断和容错等技术研究，提供安全、可靠、接近真实的故障注入/模拟/仿真与测试。
Description
技术领域
本发明涉及一种功率器件IGBT开路故障注入方法及系统，属于电路故障注入和信号处理等领域。
背景技术
功率器件IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)长期处于高频调制下，承受高电压、大电流，开关损耗较大、发热较为严重。研究表明，大部分电力电子设备失效都起因于功率器件IGBT的开路或短路故障。通常短路故障持续时间极短，且会很快烧坏功率器件最终仍表现为开路故障。而功率器件IGBT发生开路故障时，往往并不会停止运行，因而造成其它未故障器件负荷超载，加速了器件的损坏速度，容易引发二次故障的发生。特别是，如果故障得不到及时处理，长时间超载运行后，会加速器件的老化，严重影响系统的运行性能和器件使用寿命。因此，对于功率器件IGBT的开路故障诊断及容错技术的研究业已成为热点。
按照IGBT受到不同干扰影响下的故障严重程度和故障持续时间等的不同，可将IGBT开路故障信号形式分为：永久型、间歇型和瞬态型故障；其中，永久型开路故障最为严重，而间歇型故障则发生频率较高。在数字电路系统中间歇型故障占所有可能发生故障的90％；在混合电路系统中，间歇型故障发生的频率是永久故障的10～30倍。间歇型故障对系统性能和设备的安全构成了巨大的威胁。
为了检验IGBT对干扰因素的忍耐能力和降低IGBT发生开路故障后带来的不安全因素，许多厂商和学者在产品设计、生产和运行阶段都要进行安全测试。其中，故障注入作为一种重要的安全测试技术手段，其研究可以追溯到上世纪70年代，国内外对于故障注入的研究与应用随着技术的成熟逐渐扩展到各个领域。在IGBT开路故障注入的研究中，常采用直接切断IGBT栅极驱动控制信号的开关式方法模拟开路故障状态。此方法虽然简单、可实施性较强，但无法模拟间歇型和瞬态型等故障信号，且在模拟故障信号的同时，会因切断包含各种噪声干扰的原有正常信号，而难以实现接近真实的故障模拟。
针对上述情况，尚未见到合适的解决方案，这给在有噪声干扰信号情况下，对于不同IGBT开路故障表现形式的模拟和研究带来了困难。因此，需设计一种功率器件IGBT开路故障注入方法及系统，为IGBT开路故障的诊断和容错等技术研究提供安全、可靠、接近真实的故障注入/模拟/仿真与测试，具有较强的适用性。
发明内容
本发明提供一种功率器件IGBT开路故障注入方法及系统，能为IGBT开路故障的诊断和容错等技术研究提供安全、可靠、接近真实的故障注入/模拟/仿真与测试。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种功率器件IGBT的开路故障注入方法，包括以下步骤：
步骤一：在一个完整的故障注入试验周期内，建立所述功率器件IGBT开路故障注入信号的时间序列描述；
步骤二：针对所述功率器件IGBT开路故障注入信号的时序描述，按照对周期相同或相近的信号进行归类的原则，将整个测试周期内所有除噪声信号外的注入信号划分为不同子周期下的不同组注入信号，建立所述IGBT开路故障注入信号的伪周期时间序列描述；用以模拟永久型、间歇型、瞬态型及其任意组合的故障信号；
步骤三：构建所述功率器件IGBT开路故障注入器，用于生成模拟IGBT开路故障的伪周期时序信号，即故障注入信号，并叠加到正常信号上输出调理信号；
步骤四：将步骤三所构建的故障注入器以串行连接方式接入到所述功率器件IGBT的控制信号接收端；设置被测IGBT故障注入信号的触发值和故障注入器的所有参数；控制故障注入器输出调理信号，并将其注入到被测IGBT的控制信号接收端。
优选地，所述的步骤一包括以下内容：
在一个完整的故障注入试验周期内，描述功率器件IGBT故障注入信号的时间序列，公式为：
式中Γ(t)为阶跃函数，μq,vq分别表示第q个故障注入信号的触发时刻和结束时刻，显然有μq＜vq＜μq+1；第q个故障注入信号的持续时间为τq＝vq-μq，第q个与第q+1个故障信号触发的间隔时间为fq表示为第q个故障注入信号关于故障严重程度的数值表征；ξ(t)为随机噪声或干扰。
优选地，所述的步骤二包括以下内容：
为解决实际测试中q值较大造成计算量大的问题，按照对周期相同或相近的信号进行归类的原则，将整个测试周期内q个故障注入信号划分为不同子周期下的j组故障注入信号，j＝1,2，…，N，N＜＜∞，N表示q个故障注入信号按相同或相近周期归类为子周期的总组/个数；重新描述公式1，建立IGBT故障注入信号的伪周期时间序列描述，公式为：
式中Pj表示第j组注入信号的子周期，令 为第j组中注入信号触发间隔时间的最大值；μji,vji分别表示第j组注入信号中第i个信号的触发时刻和结束时刻，i＝1,2，…，nj，nj表示第j组中注入信号的总个数，且nj＝ceil(vj/Pj)(ceil表示向正无穷大取整)；τjmax表示第j组中各注入信号有效持续时间的最大值；fji表示为第j组中第i个故障注入信号关于故障严重程度的数值表征；
用公式(2)模拟永久型、间歇型、瞬态型等故障信号，当τjmax→∞时，公式(2)中阶跃函数的差值为无穷大，可用于模拟永久型故障信号；当τjmax→0时，可用于模拟瞬态型故障信号；当0＜τjmax＜∞时，可用于模拟间歇型故障信号；可以根据实际需要组合生成任意不同IGBT开路故障表现形式的故障信号。
优选地，所述的步骤三包括以下内容：构建所述功率器件IGBT开路故障注入器，故障注入器由故障注入控制器和信号调理电路组成，故障注入控制器用于与上位机进行数据交互和控制信号调理电路输出调理信号；信号调理电路由函数信号发生器和信号注入电路组成，函数信号发生器用于生成模拟IGBT开路故障的伪周期时序信号，即故障注入信号，信号注入电路用于将生成的故障注入信号叠加到正常信号上，生成并输出调理信号。
优选地，所述的步骤四包括以下内容：
步骤1：将IGBT开路故障注入器以串行连接方式接入到被测IGBT的控制信号接收端；
步骤2：设置被测IGBT故障注入信号的触发值；
在一个完整的故障注入试验周期内，将所述功率器件IGBT按照是否触发故障状态，设置“0”或“1”触发值，当设置触发值为“1”时，表示对应的IGBT处于故障触发状态；当设置触发值为“0”时，表示对应的IGBT处于正常工作状态，所述IGBT处于正常通断状态；
步骤3：设置被测IGBT故障注入器的参数；
构建IGBT开路故障注入器的参数设置界面，根据公式(2)给出参数变量集合S＝[N,P,μ,v,f]，设置其所有参数，可选择是否加入常见的高斯、随机噪声等噪声/干扰信号。
步骤4：控制故障注入器的输出信号；
当设置IGBT故障注入信号的触发值为“1”时，启动故障注入控制器工作，控制其按所设置的参数生成故障注入信号；再经信号调理电路将生成的故障注入信号与正常信号进行叠加，输出既有正常信号又含有故障注入信号的调理信号，一并注入到所述IGBT的控制信号接收端；
当设置IGBT故障注入信号的触发值为“0”时，故障注入器不工作，即故障注入器输出正常信号，送入到所述IGBT的控制信号接收端。
作为一个总的技术构思，本发明还提供了一种功率器件IGBT的开路故障注入系统，包括：
故障注入器，包括故障注入控制器和信号调理电路，用于生成故障注入信号，并叠加到正常信号上输出调理信号；
故障注入控制器，用于与上位机进行数据交互和控制信号调理电路输出调理信号；
信号调理电路，包括函数信号发生器和信号注入电路，用于生成模拟IGBT开路故障的伪周期时序信号，并将其叠加到正常信号上，生成并输出调理信号；
函数信号发生器，用于生成模拟IGBT开路故障的伪周期时序信号，即故障注入信号；
信号注入电路，用于将生成的故障注入信号叠加到正常信号上，生成并输出调理信号。
以及：
故障注入器的连接方式，以串行连接方式接入到被测IGBT的控制信号接收端；
故障注入信号触发值的设置模块，用于设置被测IGBT是否触发故障状态；
故障注入器参数的设置模块，用于根据公式(2)设置伪周期时序信号的所有参数；
故障注入点的位置，故障注入器输出的调理信号注入到被测IGBT的控制信号接收端。
本发明通过故障注入信号的序列描述构造的故障注入器，可以模拟永久型、间歇型、瞬态型及其任意组合的故障信号；可以根据实际需要完成对不同IGBT开路故障表现形式的故障注入；为IGBT开路故障的诊断和容错等技术研究提供安全、可靠、接近真实的故障注入/模拟/仿真与测试，具有较强的适用性。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为中点钳位二极管式三电平逆变器主电路拓扑示意图；
图2为本发明功率器件IGBT开路故障注入方法流程图；
图3为本发明实施例IGBT故障注入信号时序图；
图4为本发明IGBT开路故障注入器结构示意图；
图5为本发明实施例故障注入器参数设置界面；
图6为本发明实施例正常信号与调理信号(既有正常信号又含有故障注入信号)的对比图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述。图1是本实施例中所称的三电平逆变器的主电路拓扑示意图，此三电平逆变器主电路采用两功率开关器件串联与中点带钳位二极管的方案，功率器件采用IGBT模块，一相桥臂的4个功率开关器件采用电压矢量调制控制(SVPWM)策略进行控制。三电平逆变器左侧为两个支撑电容提供稳定的直流电压，经三电平逆变器输出频率可调的三相交流电给负载电机；
本实施例是在虚拟仿真平台Simulink软件环境下进行，此环境下IGBT模块控制信号接收端接收到的正常信号幅值为“0”或“1”的信号，分别表示断开和导通状态。为简单起见，本实施例所述IGBT模块为理想开关器件，故：1)不考虑导通阈值等的设置问题；2)也不考虑涉及噪声干扰信号的故障注入问题。
如图2所示，本发明功率器件IGBT开路故障注入方法包括如下步骤。
第一步，在一个完整的故障注入试验周期内，建立所述功率器件IGBT故障注入信号的时间序列描述；
步骤1：确定IGBT的故障注入控制信号
在一个完整的故障注入试验周期内，按照需要设置三电平逆变器系统中被测IGBT的故障注入信号时间序列描述，本实施例设置的故障注入信号包含有12个不同周期、相同严重程度的IGBT开路故障表现形式。
步骤2：建立所述功率器件IGBT故障注入信号的时间序列描述
在一个完整的故障注入试验周期内，描述功率器件IGBT故障注入信号的时间序列，公式为：
式中Γ(t)为阶跃函数，μq,vq分别表示第q个故障注入信号的触发时刻和结束时刻，显然有μq＜vq＜μq+1；第q个故障注入信号的持续时间为τq＝vq-μq，第q个与第q+1个故障信号触发的间隔时间为fq表示为第q个故障注入信号关于故障严重程度的数值表征；ξ(t)为随机噪声或干扰。
本实施例中，由公式(1)可得被测IGBT故障注入信号时序描述为：
式中，故障严重程度的表征数值设为f1＝f2＝…＝f12＝1；μ1＝0.5,v1＝0.5005；μ2＝1,v2＝1.03；μ3＝1.05,v3＝1.08；μ4＝1.1,v4＝1.13；…；μ12＝1.5,v12＝∞；ξ(t)＝0。
第二步：针对所述功率器件IGBT开路故障注入信号的时序描述，按照对周期相同或相近的信号进行归类的原则，将整个测试周期内所有除噪声信号外的注入信号划分为不同子周期下的不同组注入信号，建立所述IGBT开路故障注入信号的伪周期时间序列描述；用以模拟永久型、间歇型、瞬态型及其任意组合的故障信号。
为解决实际测试中q值较大造成计算量大的问题，按照对周期相同或相近的信号进行归类的原则，将整个测试周期内q个故障注入信号划分为不同子周期下的j组故障注入信号，j＝1,2，…，N(N∞)，N表示q个故障注入信号按相同或相近周期归类为子周期的总组/个数；重新描述公式1，建立IGBT故障注入信号的伪周期(就是表面上看来是随机的、完全无规律的，但实际是按一定的规律和周期传送的)时间序列描述，公式为：
式中Pj表示第j组注入信号的子周期，令 为第j组中注入信号触发间隔时间的最大值；μji,vji分别表示第j组注入信号中第i个信号的触发时刻和结束时刻，i＝1,2，…，nj，nj表示第j组中注入信号的总个数，且nj＝ceil(vj/Pj)(ceil表示向正无穷大取整)；τjmax表示第j组中各注入信号有效持续时间的最大值；fji表示为第j组中第i个故障注入信号关于故障严重程度的数值表征。
用公式(2)模拟永久型、间歇型、瞬态型等故障信号。当τjmax→∞时，公式(2)中阶跃函数的差值为无穷大，可用于模拟永久型故障信号；当τjmax→0时，可用于模拟瞬态型故障信号；当0＜τjmax＜∞时，可用于模拟间歇型故障信号；可以根据实际需要组合生成任意不同IGBT开路故障表现形式的故障信号；
本实施例中，将整个测试周期内12个故障注入信号划分为不同子周期下的3组故障注入信号，重新描述公式3，建立IGBT故障注入信号的伪周期时间序列描述，公式为：
式中各组中i个故障注入信号的故障严重程度表征数值fji均为1；μ1＝0.5,μ2＝1.0,μ3＝1.5；n1＝1,n2＝10,n3＝1；τ1max＝0.005,τ2max＝0.03,τ3max＝∞；P1＝2.5,P2＝0.05,P3＝∞；ξ(t)＝0。
按公式(4)所生成的组合形式的故障注入信号时序图如图3所示，其中第1组(j＝1)注入信号用于模拟瞬态型故障表现形式；第2组(j＝2)注入信号用于模拟间歇型故障表现形式；第3组(j＝3)注入信号用于模拟永久型故障表现形式。
第三步：构建所述功率器件IGBT开路故障注入器。
如图4所示，故障注入器主要由故障注入控制器和信号调理电路组成，故障注入控制器主要用于与上位机进行数据交互和控制信号调理电路输出调理信号；由图4可知，信号调理电路由函数信号发生器和信号注入电路组成，函数信号发生器用于按照伪周期时序描述式(4)生成故障注入信号，信号注入电路用于将故障注入信号叠加到正常信号上，生成并输出调理信号。
第四步：具体包括以下内容：
步骤1：将IGBT开路故障注入器以串行连接的方式，接入到三电平逆变器系统中被测IGBT的控制信号接收端；
步骤2：设置被测IGBT故障控制信号的触发值；
在一个完整的故障注入试验周期内，将所述功率器件IGBT按照是否触发故障状态，设置“0”或“1”触发值。当设置触发值为“1”时，表示对应的IGBT处于故障触发状态；当设置触发值为“0”时，表示对应的IGBT处于正常工作状态(非故障状态)时，所述IGBT处于正常通断状态；
步骤3：设置被测IGBT故障注入器的参数；
构建IGBT开路故障注入器的参数设置界面，根据公式(4)给出的参数变量集合S＝[N,P,μ,v,f]，设置所有参数，选择不加入常见的高斯噪声、随机噪声等噪声干扰信号，本实施例的参数设置及其界面如图5所示。
步骤4：控制故障注入器的输出信号；
当设置IGBT故障注入信号的触发值为“1”时，启动故障注入控制器工作，控制其输出按所设置的参数生成的故障注入信号(伪周期时间序列)；经信号调理电路将生成的故障信号与正常信号进行叠加，输出既有正常运行信号又含有故障信息的调理信号，一并注入到所述IGBT的控制信号接收端。当设置IGBT故障注入信号的触发值为“0”时，故障注入器不工作，即故障注入器输出正常信号，送入到所述IGBT的控制信号接收端。
本实施例中正常信号与调理信号(既有正常信号又含有故障注入信号)的波形图为图6。
综上可知，本发明通过故障注入信号的序列描述构造的故障注入器，可以根据实际需要完成对不同IGBT开路故障表现形式的故障注入，为IGBT开路故障的诊断和容错等技术研究提供安全、可靠、接近真实的故障注入/模拟/仿真与测试，具有较强的适用性。
以上所述仅为本发明的简单实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种功率器件IGBT的开路故障注入方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：在一个完整的故障注入试验周期内，建立所述功率器件IGBT开路故障注入信号的时间序列描述；
步骤二：针对所述功率器件IGBT开路故障注入信号的时序描述，按照对周期相同或相近的信号进行归类的原则，将整个测试周期内所有除噪声信号外的注入信号划分为不同子周期下的不同组注入信号，建立所述IGBT开路故障注入信号的伪周期时间序列描述；用以模拟永久型、间歇型、瞬态型及其任意组合的故障信号；
步骤三：构建所述功率器件IGBT开路故障注入器，用于生成模拟IGBT开路故障的伪周期时序信号，即故障注入信号，并叠加到正常信号上输出调理信号；
步骤四：将步骤三所构建的故障注入器以串行连接方式接入到所述功率器件IGBT的控制信号接收端；设置被测IGBT故障注入信号的触发值和故障注入器的所有参数；控制故障注入器输出调理信号，并将其注入到被测IGBT的控制信号接收端。
2.根据权利要求1所述的功率器件IGBT的开路故障注入方法，其特征在于，所述的步骤一包括以下内容：
在一个完整的故障注入试验周期内，描述功率器件IGBT故障注入信号的时间序列，公式为：
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式中Γ(t)为阶跃函数，μq,vq分别表示第q个故障注入信号的触发时刻和结束时刻，显然有μq＜vq＜μq+1；第q个故障注入信号的持续时间为τq＝vq-μq，第q个与第q+1个故障信号触发的间隔时间为fq表示为第q个故障注入信号关于故障严重程度的数值表征；ξ(t)为随机噪声或干扰。
3.根据权利要求2所述的功率器件IGBT的开路故障注入方法，其特征在于，所述的步骤二包括以下内容：
为解决实际测试中q值较大造成计算量大的问题，按照对周期相同或相近的信号进行归类的原则，将整个测试周期内q个故障注入信号划分为不同子周期下的j组故障注入信号，j＝1,2，…，N，N＜＜∞，N表示q个故障注入信号按相同或相近周期归类为子周期的总组数；重新描述公式1，建立IGBT故障注入信号的伪周期时间序列描述，公式为：
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式中Pj表示第j组注入信号的子周期，令 为第j组中注入信号触发间隔时间的最大值；μji,vji分别表示第j组注入信号中第i个信号的触发时刻和结束时刻，i＝1,2，…，nj，nj表示第j组中注入信号的总个数，且nj＝ceil(vj/Pj)，ceil表示向正无穷大取整；τjmax表示第j组中各注入信号有效持续时间的最大值；fji表示为第j组中第i个故障注入信号关于故障严重程度的数值表征；
用公式(2)模拟永久型、间歇型、瞬态型及其任意组合的故障信号，当τjmax→∞时，公式(2)中阶跃函数的差值为无穷大，用于模拟永久型故障信号；当τjmax→0时，用于模拟瞬态型故障信号；当0＜τjmax＜∞时，用于模拟间歇型故障信号；根据实际需要组合生成任意不同IGBT开路故障表现形式的故障信号。
4.根据权利要求1所述的功率器件IGBT的开路故障注入方法，其特征在于，所述的步骤三中，构建所述功率器件IGBT开路故障注入器，故障注入器包括故障注入控制器和信号调理电路，故障注入控制器用于与上位机进行数据交互和控制信号调理电路输出调理信号；信号调理电路由函数信号发生器和信号注入电路组成，函数信号发生器用于生成模拟IGBT开路故障的伪周期时序信号，即故障注入信号，信号注入电路用于将生成的故障注入信号叠加到正常信号上，生成并输出调理信号。
5.根据权利要求3所述的功率器件IGBT的开路故障注入方法，其特征在于，所述的步骤四包括以下内容：
步骤1：将IGBT开路故障注入器以串行连接方式接入到被测IGBT的控制信号接收端；
步骤2：设置被测IGBT故障注入信号的触发值；
在一个完整的故障注入试验周期内，将所述功率器件IGBT按照是否触发故障状态，设置“0”或“1”触发值，当设置触发值为“1”时，表示对应的IGBT处于故障触发状态；当设置触发值为“0”时，表示对应的IGBT处于正常工作状态，所述IGBT处于正常通断状态；
步骤3：设置被测IGBT故障注入器的参数；
构建IGBT开路故障注入器的参数设置界面，根据公式(2)给出参数变量集合S＝[N,P,μ,v,f]，设置其所有参数，可选择是否加入常见的高斯、随机噪声等噪声/干扰信号；
步骤4：控制故障注入器的输出信号；
当设置IGBT故障注入信号的触发值为“1”时，启动故障注入控制器工作，控制其按所设置的参数生成故障注入信号；再经信号调理电路将生成的故障注入信号与正常信号进行叠加，输出既有正常信号又含有故障注入信号的调理信号，一并注入到所述IGBT的控制信号接收端；
当设置IGBT故障注入信号的触发值为“0”时，故障注入器不工作，即故障注入器输出正常信号，送入到所述IGBT的控制信号接收端。
6.一种实现如权利要求1至5中任一所述的功率器件IGBT的开路故障注入方法的系统，其特征在于，包括：
故障注入器，包括故障注入控制器和信号调理电路，用于生成故障注入信号，并叠加到正常信号上输出调理信号；
故障注入控制器，用于与上位机进行数据交互和控制信号调理电路输出调理信号；
信号调理电路，包括函数信号发生器和信号注入电路，用于生成模拟IGBT开路故障的伪周期时序信号，并将其叠加到正常信号上，生成并输出调理信号；
函数信号发生器，用于生成模拟IGBT开路故障的伪周期时序信号，即故障注入信号；
信号注入电路，用于将生成的故障注入信号叠加到正常信号上，生成并输出调理信号。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述系统还包括：
故障注入器的连接方式，以串行连接方式接入到被测IGBT的控制信号接收端；
故障注入信号触发值的设置模块，用于设置被测IGBT是否触发故障状态；
故障注入器参数的设置模块，用于设置伪周期时序信号的所有参数；
故障注入点的位置，故障注入器输出的调理信号注入到被测IGBT的控制信号接收端。
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