CN105911416A - 功率因数校正pfc电路的故障诊断方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种功率因数校正PFC电路的故障诊断方法和装置，所述方法包括以下步骤：向PFC电路注入测试电压；实时检测PFC电路的电感电流，并判断电感电流是否小于等于第一电流预设值；如果电感电流小于等于第一电流预设值，则根据电感电流计算电感电流变化量；根据电感电流变化量对PFC电路进行故障判断。该方法通过向PFC电路注入测试电压，并根据电感电流变化量来判断PFC电路是否发生故障。

Description

功率因数校正PFC电路的故障诊断方法和装置

技术领域

本发明涉及PFC(Power Factor Correction，功率因数校正)电路技术领域，特别涉及一种PFC电路的故障诊断方法和装置。

背景技术

多数家用电器采用如下电路拓扑：单相交流电源经过不可控整流输出脉动的直流电压，再经过功率因数校正器调节输出稳定的直流电压，然后接至大容量的电解电容，最后再给内部开关电源和主要负载供电。其中，功率因数校正器常用Boost型PFC电路，即由电感、功率开关管和二极管组成。

其中，电感在生产运输过程中容易产生磁芯断裂或者碎裂，使得电感的感量严重变小甚至近似短路(磁芯空隙过大)，从而造成功率因数校正功能异常；功率开关管可能因为过流或过热等原因造成开路；二极管可能因为反向过压等原因造成短路。对于电感异常、功率开关管开路故障或者二极管短路故障等情况，将导致PFC电路功率因数校正功能发生异常，影响相关产品的正常使用。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的一个目的在于提出一种PFC电路的故障诊断方法，该方法通过向PFC电路注入测试电压，并根据电感电流变化量来判断PFC电路是否发生故障。

本发明的另一个目的在于提出一种PFC电路的故障诊断装置。

为实现上述目的，本发明一方面实施例提出了一种PFC电路的故障诊断方法，包括以下步骤：向所述PFC电路注入测试电压；实时检测所述PFC电路的电感电流，并判断所述电感电流是否小于等于第一电流预设值；如果所述电感电流小于等于所述第一电流预设值，则根据所述电感电流计算电感电流变化量；根据所述电感电流变化量对所述PFC电路进行故障判断。

根据本发明实施例的PFC电路的故障诊断方法，首先向PFC电路注入测试电压，然后实时检测PFC电路的电感电流，并判断电感电流是否小于等于第一电流预设值，如果电感电流小于等于第一电流预设值，则根据电感电流计算电感电流变化量，并根据电感电流变化量对PFC电路进行故障判断，从而有效实现PFC电路的故障检测，以在PFC电路出现故障时及时维修，有效避免因PFC电路出现故障导致功率因数校正功能异常等，进而保证具有PFC电路的相关产品可以正常工作，保证产品的可靠性，提高用户体验。

根据本发明的一个实施例，当所述电感电流大于所述第一电流预设值时，判断所述PFC电路中的二极管或者电感出现短路故障，并立即停止向所述PFC电路注入所述测试电压。

根据本发明的一个实施例，根据所述电感电流变化量对所述PFC电路进行故障判断，包括：对所述电感电流变化量进行判断；如果所述电感电流变化量大于预设的电流变化上限值，则判断所述PFC电路出现电感过小故障；如果所述电感电流变化量小于预设的电流变化下限值，则判断所述PFC电路出现电感过大故障，其中，所述预设的电流变化下限值小于所述预设的电流变化上限值；如果所述电感电流变化量小于等于预设的电流检测误差阈值，则判断所述PFC电路中的功率开关管出现开路故障。

根据本发明的一个实施例，还检测所述PFC电路的输入电压，并在所述输入电压大于等于第一电压阈值时，向所述PFC电路注入所述测试电压。

根据本发明的一个实施例，所述测试电压为脉冲电压，其中，向所述PFC电路注入所述脉冲电压的时间根据所述PFC电路的电感标称值、所述输入电压和所述PFC电路中功率开关管的额定电流值计算得到。

为实现上述目的，本发明另一方面实施例还提出了一种功率因数校正PFC电路的故障诊断装置，包括：注入模块，用于向所述PFC电路注入测试电压；电流检测模块，用于实时检测所述PFC电路的电感电流；故障诊断模块，用于在判断所述电感电流小于等于第一电流预设值时根据所述电感电流计算电感电流变化量，并根据所述电感电流变化量对所述PFC电路进行故障判断。

根据本发明实施例的PFC电路的故障诊断装置，通过注入模块向PFC电路注入测试电压，并通过电流检测模块实时检测PFC电路的电感电流，故障诊断模块判断电感电流是否小于等于第一电流预设值，如果电感电流小于等于第一电流预设值，则故障诊断模块根据电感电流计算电感电流变化量，并根据电感电流变化量对PFC电路进行故障判断，从而有效实现PFC电路的故障检测，以在PFC电路出现故障时及时维修，有效避免因PFC电路出现故障导致功率因数校正功能异常等，进而保证具有PFC电路的相关产品可以正常工作，保证产品的可靠性，提高用户体验。

根据本发明的一个实施例，当所述电感电流大于所述第一电流预设值时，所述故障诊断模块判断所述PFC电路中的二极管或者电感出现短路故障，并立即控制所述注入模块停止向所述PFC电路注入所述测试电压。

根据本发明的一个实施例，所述故障诊断模块，还用于对所述电感电流变化量进行判断，其中，当所述电感电流变化量大于预设的电流变化上限值时，所述故障诊断模块判断所述PFC电路出现电感过小故障；当所述电感电流变化量小于预设的电流变化下限值时，所述故障诊断模块判断所述PFC电路出现电感过大故障，其中，所述预设的电流变化下限值小于所述预设的电流变化上限值；当所述电感电流变化量小于等于预设的电流检测误差阈值时，所述故障诊断模块判断所述PFC电路中的功率开关管出现开路故障。

根据本发明的一个实施例，上述的PFC电路的故障诊断装置，还包括：电压检测模块，用于检测所述PFC电路的输入电压，其中，当所述输入电压大于等于第一电压阈值时，所述故障诊断模块控制所述注入模块向所述PFC电路注入所述测试电压。

根据本发明的一个实施例，所述测试电压为脉冲电压，其中，向所述PFC电路注入所述脉冲电压的时间由所述故障诊断模块根据所述PFC电路的电感标称值、所述输入电压和所述PFC电路中功率开关管的额定电流值计算得到。

附图说明

图1(a)是根据本发明一个实施例的PFC电路的拓扑图；

图1(b)是根据本发明另一个实施例的PFC电路的拓扑图；

图2是根据本发明实施例的PFC电路的故障诊断方法的流程图；

图3是根据本发明一个实施例的测试电压注入示意图；

图4是根据本发明实施例的PFC电路的故障诊断装置的方框图；以及

图5是根据本发明一个实施例的PFC电路的故障诊断装置的方框图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图来描述根据本发明实施例提出的PFC电路的故障诊断方法和装置。

在本发明的实施例中，如图1所示，单相交流输入的功率因数校正电路包括控制芯片、主电路和检测电路，主电路包括整流桥、滤波电容、PFC电路和大容量电解电容以及负载，PFC电路包括电感、功率开关管和二极管，其中，功率开关管可以为IGBT(Insulated GateBipolar Transistor，绝缘栅双极型晶体管)和MOSFET(Metal-Oxide-SemiconductorField-Effect Transistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管)，二极管可以为快恢复二极管。

控制芯片通过检测输入侧直流电压V_bd(即整流桥之后、PFC电路之前的直流电压)、电感电流I_ind(即PFC电路的输入电流)和输出侧直流电压V_dc(即直流母线电压或电解电容两端的电压)进行PFC电路的控制。其中，电感电流I_ind可采用电阻采样方法或者通过霍尔电流传感器检测，如图1(a)所示电感电流检测位置在功率开关管E极与参考地之间，如图1(b)所示电感电流检测位置在参考地与整流桥之间，输入侧直流电压V_bd和输出侧直流电压V_dc可采用电阻分压方法检测。

但是，当PFC电路发生故障时，将导致功率因数校正功能发生异常，甚至导致系统无法正常工作。而考虑到，对于电感异常、功率开关管开路故障或者二极管短路故障等情况，可以关闭功率因数校正功能，以使系统继续降额工作，保证系统的基本功能。因此，如果系统能够正常上电，则表明内部开关电源能够正常工作，即电解电容供电正常，那么功率开关管肯定没有发生短路、电感和二极管也没有发生开路。在此情况下，本发明提出了一种PFC电路的故障诊断方法。

图2是根据本发明实施例的PFC电路的故障诊断方法的流程图。如图2所示，该PFC电路的故障诊断方法包括以下步骤：

S1，向PFC电路注入测试电压。

根据本发明的一个实施例，在向PFC电路注入测试电压前，还检测PFC电路的输入电压，并在输入电压大于等于第一电压阈值时，向PFC电路注入测试电压。测试电压可以为脉冲电压，其中，向PFC电路注入脉冲电压的时间根据PFC电路的电感标称值、输入电压和PFC电路中功率开关管的额定电流值计算得到。

具体地，如图3所示，在系统上电后，实时检测输入侧直流电压V_bd(即PFC电路的输入电压)并对其进行判断，如果输入侧直流电压V_bd大于或等于第一电压阈值Vth，则开始向PFC电路注入脉冲电压，即开通功率开关管一个脉冲电压时间然后关闭功率开关管，在忽略功率开关管的导通压降的条件下，脉冲电压注入时间T满足：

${\∫}_0^T{V}_{bd}dt=L\×{\mathrm{\ΔI}}_{th}---\left(1\right)$

其中，L为PFC电路的电感标称值，ΔI_th为预设的电感电流变化量，ΔI_th可以根据实际情况进行标定，例如，ΔI_th可以为功率开关管的额定电流值的30％-70％。

特别的，当脉冲电压注入时间T远小于输入侧直流电压V_bd周期时，可认为输入侧直流电压V_bd恒定不变，此时脉冲电压注入时间

S2，实时检测PFC电路的电感电流，并判断电感电流是否小于等于第一电流预设值。其中，第一电流预设值可以根据实际情况进行标定，例如第一电流预设值可以为功率开关管的额定电流值。

S3，如果电感电流小于等于第一电流预设值，则根据电感电流计算电感电流变化量。

在本发明的一个实施例中，当电感电流I_ind大于第一电流预设值时，判断PFC电路中的二极管或者电感出现短路故障，并立即停止向PFC电路注入测试电压(关闭功率开关管)。

具体地，在脉冲电压注入过程中，实时检测电感电流I_ind并对其进行判断。如果PFC电路出现过流现象，即电感电流I_ind大于功率开关管的额定电流值，则表明二极管或者电感发生短路故障，此时需立即关闭脉冲电压输出(关闭功率开关管)；如果电感电流I_ind小于或等于第一电流预设值，则计算并存储脉冲电压注入时间T内的电感电流变化量ΔI_ind。

S4，根据电感电流变化量对PFC电路进行故障判断。

根据本发明的一个实施例，根据电感电流变化量ΔI_ind对PFC电路进行故障判断，包括：对电感电流变化量ΔI_ind进行判断；如果电感电流变化量ΔI_ind大于预设的电流变化上限值，则判断PFC电路出现电感过小故障；如果电感电流变化量ΔI_ind小于预设的电流变化下限值，则判断PFC电路出现电感过大故障，其中，预设的电流变化下限值小于预设的电流变化上限值；如果电感电流变化量ΔI_ind小于等于预设的电流检测误差阈值，则判断PFC电路中的功率开关管出现开路故障。

也就是说，在脉冲电压注入时间T内，如果电感电流变化量ΔI_ind大于预设的电流变化上限值，则说明电感的感量过小，此时可能是由于磁芯断裂或者碎裂导致电感过小故障；如果电感电流变化量ΔI_ind小于预设的电流变化下限值，则说明电感的感量过大，此时可能由于其他原因导致电感过大故障；如果电感电流变化量ΔI_ind近似为零，即小于或等于预设的电流检测误差阈值，则说明功率开关管发生开路；否则，PFC电路无故障，可以正常运行。

其中，预设的电流变化上限值＝预设的电感电流变化量ΔI_th+电流偏移裕度，预设的电流变化下限值＝预设的电感电流变化量ΔI_th-电流偏移裕度，其中，预设的电流检测误差阈值<<电流偏移裕度<预设的电流变化下限值<预设的电感电流变化量ΔI_th<预设的电流变化上限值<功率开关管的额定电流值。例如，假设功率开关管的额定电流值为Irtd，则预设的电感电流变化量ΔI_th可以为Irtd×50％，电流偏移裕度可以为Irtd×20％，预设的电流检测误差阈值可以为Irtd×2％。

在本发明的实施例中，如果PFC电路出现二极管短路故障、电感异常或者功率开关管开路故障中的一个故障时，将关闭功率因数校正功能，使得系统继续降额工作，或者直接关闭系统并进行维修。

综上所述，根据本发明实施例的PFC电路的故障诊断方法，首先向PFC电路注入测试电压，然后实时检测PFC电路的电感电流，其中，如果电感电流大于第一电流预设值，则可以直接判断二极管或者电感发生短路故障，而如果电感电流小于等于第一电流预设值，则根据电感电流计算电感电流变化量来判断电感是否异常或者功率开关管是否发生开路故障，从而有效实现PFC电路的故障检测，以在PFC电路出现故障关闭功率因数校正功能，或者关闭系统并进行维修，有效避免因PFC电路出现故障导致功率因数校正功能异常等，进而保证具有PFC电路的相关产品可以正常工作，保证产品的可靠性，提高用户体验。

图4是根据本发明实施例的PFC电路的故障诊断装置100的方框图。其中，如图1所示，PFC电路包括电感L1、功率开关管Q和二极管FRD。

如图4所示，该PFC电路的故障诊断装置100包括：注入模块10、电流检测模块20和故障诊断模块30。

其中，注入模块10用于向PFC电路注入测试电压。

根据本发明的一个实施例，如图5所示，故障诊断装置100还包括：电压检测模块40，电压检测模块40用于检测PFC电路的输入电压，当输入电压大于等于第一电压阈值时，故障诊断模块30控制注入模块10向PFC电路注入测试电压。测试电压可以为脉冲电压，其中，向PFC电路注入脉冲电压的时间由故障诊断模块30根据PFC电路的电感标称值、输入电压和PFC电路中功率开关管的额定电流值计算得到。

具体地，如图3所示，在系统上电后，电压检测模块40实时检测输入侧直流电压V_bd(即PFC电路的输入电压)，故障诊断模块30对检测的输入侧直流电压V_bd进行判断，并在输入侧直流电压V_bd大于或等于第一电压阈值Vth时，控制注入模块10开始向PFC电路注入脉冲电压，即开通功率开关管Q一个脉冲电压时间，在忽略功率开关管Q的导通压降的条件下，脉冲电压注入时间T满足上述公式(1)。

特别的，当脉冲电压注入时间T远小于输入侧直流电压V_bd周期时，可认为输入侧直流电压V_bd恒定不变，此时脉冲电压注入时间

电流检测模块20用于实时检测PFC电路的电感电流。故障诊断模块30用于在判断电感电流小于等于第一电流预设值时根据电感电流计算电感电流变化量，并根据电感电流变化量对PFC电路进行故障判断。其中，第一电流预设值可以为功率开关管的额定电流值。

在本发明的一个实施例中，当电感电流I_ind大于第一电流预设值时，故障诊断模块30判断PFC电路中的二极管FRD或者电感L1出现短路故障，并立即控制注入模块10停止向PFC电路注入测试电压。

具体地，在脉冲电压注入过程中，电流检测模块20实时检测电感电流I_ind，故障诊断模块30对检测的电感电流I_ind进行判断。如果PFC电路出现过流现象，即电感电流I_ind大于功率开关管的额定电流值，则表明二极管FRD或者电感L1发生短路故障，此时需注入模块10立即关闭脉冲电压输出；如果电感电流I_ind小于或等于第一电流预设值，则故障诊断模块30计算并存储脉冲电压注入时间T内的电感电流变化量ΔI_ind，并根据电感电流变化量ΔI_ind对PFC电路进行故障判断。

根据本发明的一个实施例，故障诊断模块30在用于对电感电流变化量ΔI_ind进行判断时，其中，当电感电流变化量ΔI_ind大于预设的电流变化上限值时，故障诊断模块30判断PFC电路出现电感L1过小故障；当电感电流变化量ΔI_ind小于预设的电流变化下限值时，故障诊断模块30判断PFC电路出现电感L1过大故障，其中，预设的电流变化下限值小于预设的电流变化上限值；当电感电流变化量ΔI_ind小于等于预设的电流检测误差阈值时，故障诊断模块30判断PFC电路中的功率开关管Q出现开路故障。

也就是说，在脉冲电压注入时间T内，如果电感电流变化量ΔI_ind大于预设的电流变化上限值，则说明电感L1的感量过小，此时可能是由于磁芯断裂或者碎裂导致电感过小故障；如果电感电流变化量ΔI_ind小于预设的电流变化下限值，则说明电感L1的感量过大，此时可能由于其他原因导致电感过大故障；如果电感电流变化量ΔI_ind近似为零，即小于或等于预设的电流检测误差阈值，则说明功率开关管Q发生开路；否则，PFC电路无故障，可以正常运行。

其中，预设的电流变化上限值＝预设的电感电流变化量ΔI_th+电流偏移裕度，预设的电流变化下限值＝预设的电感电流变化量ΔI_th-电流偏移裕度，其中，预设的电流检测误差阈值<<电流偏移裕度<预设的电流变化下限值<预设的电感电流变化量ΔI_th<预设的电流变化上限值<功率开关管的额定电流值。例如，假设功率开关管的额定电流值为Irtd，则预设的电感电流变化量ΔI_th可以为Irtd×50％，电流偏移裕度可以为Irtd×20％，预设的电流检测误差阈值可以为Irtd×2％。

在本发明的实施例中，如果PFC电路出现二极管短路故障、电感异常或者功率开关管开路故障中的一个故障时，将关闭功率因数校正功能，使得系统继续降额工作，或者直接关闭系统并进行维修。

综上所述，根据本发明实施例的PFC电路的故障诊断装置，通过注入模块向PFC电路注入测试电压，电流检测模块实时检测PFC电路的电感电流，其中，如果电感电流大于第一电流预设值，故障诊断模块则可以直接判断二极管或者电感发生短路故障，而如果电感电流小于等于第一电流预设值，故障诊断模块则根据电感电流计算电感电流变化量来判断电感是否异常或者功率开关管是否发生开路故障，从而有效实现PFC电路的故障检测，以在PFC电路出现故障关闭功率因数校正功能，或者关闭系统并进行维修，有效避免因PFC电路出现故障导致功率因数校正功能异常等，进而保证具有PFC电路的相关产品可以正常工作，保证产品的可靠性，提高用户体验。

特别地，对于两种电感电流检测方式，如图1(a)所示电感电流检测位置在功率开关管E极与参考地之间，可以诊断二极管短路故障；如图1(b)所示电感电流检测位置在参考地与整流桥之间，无法诊断二极管短路。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种功率因数校正PFC电路的故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：

向所述PFC电路注入测试电压；

实时检测所述PFC电路的电感电流，并判断所述电感电流是否小于等于第一电流预设值；

如果所述电感电流小于等于所述第一电流预设值，则根据所述电感电流计算电感电流变化量；

根据所述电感电流变化量对所述PFC电路进行故障判断。

2.根据权利要求1所述的PFC电路的故障诊断方法，其特征在于，当所述电感电流大于所述第一电流预设值时，判断所述PFC电路中的二极管或者电感出现短路故障，并立即停止向所述PFC电路注入所述测试电压。

3.根据权利要求1或2所述的PFC电路的故障诊断方法，其特征在于，根据所述电感电流变化量对所述PFC电路进行故障判断，包括：

对所述电感电流变化量进行判断；

如果所述电感电流变化量大于预设的电流变化上限值，则判断所述PFC电路出现电感过小故障；

如果所述电感电流变化量小于预设的电流变化下限值，则判断所述PFC电路出现电感过大故障，其中，所述预设的电流变化下限值小于所述预设的电流变化上限值；

如果所述电感电流变化量小于等于预设的电流检测误差阈值，则判断所述PFC电路中的功率开关管出现开路故障。

4.根据权利要求1所述的PFC电路的故障诊断方法，其特征在于，还检测所述PFC电路的输入电压，并在所述输入电压大于等于第一电压阈值时，向所述PFC电路注入所述测试电压。

5.根据权利要求4所述的PFC电路的故障诊断方法，其特征在于，所述测试电压为脉冲电压，其中，向所述PFC电路注入所述脉冲电压的时间根据所述PFC电路的电感标称值、所述输入电压和所述PFC电路中功率开关管的额定电流值计算得到。

6.一种功率因数校正PFC电路的故障诊断装置，其特征在于，包括：

注入模块，用于向所述PFC电路注入测试电压；

电流检测模块，用于实时检测所述PFC电路的电感电流；

故障诊断模块，用于在判断所述电感电流小于等于第一电流预设值时根据所述电感电流计算电感电流变化量，并根据所述电感电流变化量对所述PFC电路进行故障判断。

7.根据权利要求6所述的PFC电路的故障诊断装置，其特征在于，当所述电感电流大于所述第一电流预设值时，所述故障诊断模块判断所述PFC电路中的二极管或者电感出现短路故障，并立即控制所述注入模块停止向所述PFC电路注入所述测试电压。

8.根据权利要求6或7所述的PFC电路的故障诊断装置，其特征在于，所述故障诊断模块，还用于对所述电感电流变化量进行判断，其中，

当所述电感电流变化量大于预设的电流变化上限值时，所述故障诊断模块判断所述PFC电路出现电感过小故障；

当所述电感电流变化量小于预设的电流变化下限值时，所述故障诊断模块判断所述PFC电路出现电感过大故障，其中，所述预设的电流变化下限值小于所述预设的电流变化上限值；

当所述电感电流变化量小于等于预设的电流检测误差阈值时，所述故障诊断模块判断所述PFC电路中的功率开关管出现开路故障。

9.根据权利要求6所述的PFC电路的故障诊断装置，其特征在于，还包括：

电压检测模块，用于检测所述PFC电路的输入电压，其中，当所述输入电压大于等于第一电压阈值时，所述故障诊断模块控制所述注入模块向所述PFC电路注入所述测试电压。

10.根据权利要求9所述的PFC电路的故障诊断装置，其特征在于，所述测试电压为脉冲电压，其中，向所述PFC电路注入所述脉冲电压的时间由所述故障诊断模块根据所述PFC电路的电感标称值、所述输入电压和所述PFC电路中功率开关管的额定电流值计算得到。