CN106950510B - 基于磁性元件电压的模块化dc-dc变换器故障诊断装置及方法 - Google Patents

基于磁性元件电压的模块化dc-dc变换器故障诊断装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于磁性元件电压的模块化DC‑DC变换器故障诊断装置及方法，其方法具体是以模块化DC‑DC变换器的磁性元件电压作为故障诊断依据，在模块化DC‑DC变换器的DC‑DC变换模块磁性元件的磁芯上采用辅助绕组来获得磁性元件电压，通过对磁性元件电压信号进行滤波整形以及逻辑变换处理后，作为进行故障判断及故障定位的标志；其装置包括依次相连的信号处理电路和故障诊断电路，磁性元件电压经信号处理电路进行滤波整形后输出到故障诊断电路，故障诊断电路包括延时电路、整形电路、同或门电路和锁存器电路，锁存器的输出作为模块化DC‑DC变换器是否出现故障以及对故障进行定位的标志。

Description

基于磁性元件电压的模块化DC-DC变换器故障诊断装置及 方法
技术领域
本发明属于大功率模块化直流变换器技术领域，更具体地，涉及一种基于磁性元件电压的模块化DC-DC变换器故障诊断装置及方法。
背景技术
近年来，模块化DC-DC变换(Direct Current-Direct current conversion)器因其灵活性和可扩展性被广泛应用于大功率功率变换场合，通过对基础模块不同方式的组合可以满足各种应用需求。当单一模块出现故障时，如果不及时处理会造成整个系统失灵。为预防这种情况的发生，需要找到一种快速有效的故障诊断方法，及时检测到故障的发生以采取必要的容错措施。在实际工作中，相对于控制和驱动电路，主电路更容易发生故障，电力电子变换器最常见的故障是开关管故障，主要包括开路和短路故障。现有的针对模块化DC-DC变换器的诊断技术主要是针对单个DC-DC变换器而言的。
现有技术对于单个DC-DC变换器的开关管故障诊断包括两个方向：以控制变量作为诊断依据或以电路特征量作为诊断依据；以控制变量为依据进行诊断，无需增加额外的成本，但诊断速度慢；应用到模块化系统中时，由于用于诊断的控制量较多，为保证速度对控制器的计算速度要求较高，需要使用昂贵的控制单元；以电路特征量如近场信号作为诊断依据时，虽然诊断速度快，但需在DC-DC变换器中添加大量额外的传感器，增加了成本。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于磁性元件电压的模块化DC-DC变换器故障诊断装置及方法，其目的在于提高DC-DC变换器故障诊断速度和准确度。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于磁性元件电压的模块化DC-DC变换器故障诊断装置，包括多个信号处理电路与一个故障诊断电路；信号处理电路的数量与待诊断模块化DC-DC变换器的模块数相同；
信号处理电路的输入端用于接入模块化DC-DC变换器的磁性元件电压信号，输出端与故障诊断电路的输入端相连；通过故障诊断电路的输出端输出故障指示信号；
信号处理电路用于对磁性元件电压信号进行滤波整形；故障诊断电路用于对滤波整形后的磁性元件电压信号进行逻辑转换以及比较，根据比较结果输出故障指示信号。
优选的，上述模块化DC-DC变换器故障诊断装置，其信号处理电路包括调理电路和电压比较器；其中，调理电路的输入端作为信号处理电路的输入端，电压比较器的输入端与调理电路的输出端相连，电压比较器的输出端作为信号处理电路的输出端；
调理电路用于对磁性元件电压进行滤波整形，电压比较器用于把滤波整形后的磁性元件电压转换为逻辑信号。
优选的，上述模块化DC-DC变换器故障诊断装置，其调理电路包括两个级联的反向放大电路；
其中一个反向放大电路包括第一运算放大器N1、第一电阻R1、第二电R2和第一滤波电容C；第一运算放大器N1的输入正端与第一电阻R1的一端相连，第一电阻R1的另一端用于连接磁性元件电压信号vi的正端；第一运算放大器N1的输入负端用于连接磁性元件电压信号vi的负端；第一运算放大器N1的输入正端与第一运算放大器N1的输出端之间并联有第二电R2和第一滤波电容C；
另一个反向放大电路包括第二运算放大器N2、第三电阻R3、第四电R4；第二运算放大器N2的输入正端接地，第二运算放大器N2的输入负端与第一运算放大器N1的输出端之间串联有第三电阻R3，第二运算放大器N2的输入负端与第二运算放大器N2的输出端之间并联有第四电阻R4。
优选的，上述模块化DC-DC变换器故障诊断装置，其故障诊断电路包括延时电路、整形电路、同或门电路和锁存器电路；
延时电路的输入端作为故障诊断电路的输入端、整形电路的输入端与延时电路的输出端相连；同或门电路的输入端与电压比较器的输出端相连；锁存器电路的输入端与同或门的输出端相连，锁存器的输出端作为故障诊断电路的输出端；
其中，延时电路用于对模块化DC-DC变换器的DC-DC变换模块对应的逻辑信号进行延时调节；整形电路用于将延时电路的输出信号整形成标准的脉冲信号；同或门电路用于对DC-DC变换模块所对应的标准脉冲信号进行两两比较；锁存器电路用于保存同或门电路输出的信号，作为模块化DC-DC变换器是否出现故障以及对故障进行定位的故障指示信号。
按照本发明的另一方面，提供了一种基于磁性元件电压的模块化DC-DC变换器故障诊断方法，将模块化DC-DC变换器内各DC-DC变换模块的磁性元件电压转换为逻辑信号后经过延时和整型，后采用逻辑门进行比较，将比较结果进行锁存后作为故障指示信号。
优选地，上述基于磁性元件电压的模块化DC-DC变换器故障诊断方法，通过在各DC-DC变换模块的磁性元件磁芯上增加辅助绕组，获得按比例缩小的磁性元件电压信号。
优选地，上述基于磁性元件电压的模块化DC-DC变换器故障诊断方法，故障诊断电路的输出作为模块化系统是否出现故障以及对故障进行定位的标志；
当故障指示信号为高电平组合，指示模块化DC-DC变换器在正常状态下；当故障指示信号为高、低电平组合，则判定模块化DC-DC变换器发生故障。
优选的，上述基于磁性元件电压的模块化DC-DC变换器故障诊断方法，采用以下转换式将电压信号转换为逻辑信号：
其中，Vth是逻辑转换阈值电压，smi是逻辑信号，vmi是磁性元件电压。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
(1)本发明提供的基于磁性元件电压的模块化DC-DC变换器故障诊断装置，易于集成，体积小，成本低，无需复杂控制算法；
(2)本发明提供的基于磁性元件电压的模块化DC-DC变换器故障诊断方法，通过在DC-DC变换模块的磁芯上添加辅助绕组即可获得磁性元件电压，不用增加昂贵的传感器，降低了测试复杂度、降低了故障诊断的成本；
(3)本发明提供的基于磁性元件电压的模块化DC-DC变换器故障诊断装置及方法，由于不依赖于固定的故障门限值，而是通过比对模块化DC-DC变换器内DC-DC变换模块磁性元件电压时序的一致性来判断并定位故障，因此在宽输入电压范围下能保证诊断结果的准确性，可靠性高；
(4)本发明提供的基于磁性元件电压的模块化DC-DC变换器故障诊断装置及方法，由于磁性元件电压的形状将在故障发生后立刻发生变化，因此可以在一个开关周期内检测到故障，诊断速度快。
附图说明
图1是实施例中在磁性元件上添加辅助绕组的示意图；
图2为实施例中磁性元件电压调理电路；
图3为实施例中以三模块DC-DC变换器为例的故障诊断电路示意图；
图4是实施例中模拟模块2开关管发生开路故障后的测试波形；
图5是实施例中模拟模块2开关管发生短路故障后的测试波形。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-调理电路、2-电压比较器、3-延时电路、4-整形电路、5-同或门电路、6-锁存器电路。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供的基于磁性元件电压的模块化DC-DC变换器故障诊断方法以磁性元件电压为诊断依据，譬如电感电压或变压器原边电压；在实施例中如图1所示在模块化DC-DC变换器的DC-DC变换模块的磁性元件磁芯上增加辅助绕组，由此获得按比例缩小的磁性元件电压信号vi，缩放比例根据磁性元件的原始绕组与辅助绕组的匝比确定；将磁性元件电压信号vi送到基于磁性元件电压的模块化DC-DC变换器故障诊断装置进行故障的识别。
以下结合对三模块DC-DC变换器系统的进行故障诊断的实施例，具体阐述本发明提供的基于磁性元件电压的模块化DC-DC变换器故障诊断装置及方法；本实施例中，诊断装置主要包括三个如图2所示的信号处理电路与一个如图3所示的故障诊断电路；每个DC-DC变换模块的磁性电压信号对应一个信号处理电路，故障诊断电路具有3个输入端，每个输入端对应连接一个信号处理电路的输出端；故障诊断电路的输出作为模块化DC-DC变换器是否出现故障以及对故障进行定位的标志。
本实施例中，信号处理电路包括依次相连的调理电路1和电压比较器2；如图2所示，调理电路1由两个反向放大电路级联构成，其中一个反向放大电路包括运算放大器N1、电阻R1、R2、滤波电容C；运算放大器N1的输入正端与电阻R1的一端相连，电阻R1的另一端用于连接磁性元件电压信号vi的正端；运算放大器N1的输入负端用于连接磁性元件电压信号vi的负端；运算放大器N1的输入正端与运算放大器N1的输出端之间并联有电阻R2和滤波电容C；
另一个反向放大电路包括运算放大器N2、电阻R3、R4；运算放大器N2的输入正端接地，运算放大器N2的输入负端与运算放大器N1的输出端之间串联有电阻R3，运算放大器N2的输入负端与运算放大器N2的输出端之间并联有电阻R4；运算放大器的放大倍数可以通过改变R1、R2、R3、R4阻值进行调节，电容C对电压信号进行滤波。
调理电路输出连接电压比较器2；电压比较器2包括运算放大器N3，运算放大器N3的输入正端与运算放大器N2的输出端相连，输出负端用于输入逻辑转换阈值电压信号Vth，运算放大器N3的输出端作为连接电压比较器2的输出端，输出逻辑信号Smi。
如图3所示，本实施例的故障诊断电路，故障诊断电路包括依次相连的延时电路3、整形电路4、同或门电路5和锁存器电路6；
延时电路3的3个输入端分别与三个信号处理电路的输出端相连；延时电路3包括3个延时模块，每个延时模块包括两条并联的二极管串联滑动变阻器支路和电容；譬如，第一个延时模块包括D1、R5、D2、R6、C1；其中，D1、R5串联构成一条二极管串联滑动变阻器支路，D2、R6串联构成另一条二极管串联滑动变阻器支路；
整形电路4的3个输入端分别与延时电路3的3个输出端相连；整形电路4包括并列的电压比较器N1、N2、N3，电压比较器N1、N2、N3的输入正端分别作为整形电路4的输入端用于与延时电路3的3个输出端相连，输入负端用于输入标准脉冲阈值电压信号Vth1；
同或门电路5包括同或门N4、N5、N6；电压比较器N1、N2、N3的输出端两两一组作为同或门电路5的输入；
接锁存器电路6包括RS锁存器N7、N8、N9、开关S和电阻R11，RS锁存器N7、N8、N9的S端分别与同或门N4、N5、N6的输出相连；其中开关S控制锁存器工作，当S闭合时，锁存器锁存输入信号低电平；S关断时，锁存器不锁存任何信号，而锁存器的输出FS1、FS2、FS3作为故障诊断装置的故障诊断依据；
模块化DC-DC变换器在正常工作状态下，同或门均输出高电平；模块化DC-DC变换器在故障状态下，输入信号为故障模块逻辑信号的同或门则输出脉冲形状的信号，无法正常指示故障情况，因此通过锁存器将故障发生后的第一个低电平予以保存，作为相应的故障指示信号。
以下结合实施例和附图，具体阐述本发明的工作原理如下：
(1)DC-DC变换器系统的第i磁性元件电压信号vi经过如图2所示的调理电路1进行滤波和比例的调节，滤波后的电压信号通过比较器电路2转换为逻辑信号Smi；
(2)DC-DC变换器系统的第i模块的磁性元件电压信号对应逻辑信号Smi；由于各个模块开关管的开通、关断延时以及硬件延时的差异，各模块的逻辑信号Smi间存在不同步，若直接通过同或逻辑门进行比较易造成误诊断；采用延时电路3对DC-DC变换器系统的各模块对应的逻辑信号进行延时调节，延时后的信号通过比较器4整形成标准的脉冲信号；通过调整延时电路3的滑阻的大小使得DC-DC变换器系统的各模块在非故障状态下进入逻辑门进行比较的信号Smri保持同步，避免误诊断；
(3)延时处理后的信号Smri通过同或门电路5两两间进行对比；正常工作状态下，各路信号Smri保持同步，同或门输出Fi保持为高电平；当DC-DC变换器系统有模块出现故障时，以故障模块电压逻辑信号为输入的同或门输出Fi会出现高低电平变化的状态，经过RS锁存器电路6锁存其低电平状态，将锁存器输出Fsi作为故障诊断依据；Fsi的取值指示了系统的工作状态：系统正常工作时，所有诊断信号Fsi保持为高电平；当其中一个模块故障时，该模块对应诊断信号Fsi变为低电平，通过所有诊断信号的状态组合实现对故障模块进行定位。
采用实施例提供的基于磁性元件电压的模块化DC-DC变换器故障诊断装置对三模块DC-DC变换器系统进行故障诊断的过程如下：
接入该诊断装置后，系统上电，在额定工作电压下调节延时电路3，使得正常状态下同或门电路5的各输出信号始终保持为高电平，避免误诊断；调节好延时电路后，闭合锁存器电路6中的开关S，锁存器开始工作，诊断电路也进入工作状态；在三模块DC-DC变换器系统的各模块均正常工作时锁存器电路6输出的诊断信号保持为高。
图4所示是模拟三模块DC-DC变换器系统的模块2的开关管发生开路故障的测试波形；当开关管开路时，模块2的磁性元件电压逻辑信号Sm2变为低，与其他正常模块的逻辑信号Sm1、Sm3不再一致；以Sm2为输入的同或门输出F1、F2会出现低电平，经过锁存器锁存后，Fs1、Fs2变为低电平，指示故障的发生。
图5所示是模拟三模块DC-DC变换器系统的模块2的开关管发生短路故障的测试波形；当开关管短路时，模块2的磁性元件电压逻辑信号Sm2变为高，以Sm2为输入的同或门输出F1、F2出现低电平，经过锁存器锁存后，Fs1、Fs2变为低电平，指示故障的发生；而由Fs1、Fs2、Fs3电平状态001的组合，可以确定模块2发生故障；本实施例中，故障与诊断信号对应关系具体如下表所列；
故障与诊断信号对应关系列表
故障诊断装置的输出信号Fs1Fs2Fs3均为高电平时，表明三模块DC-DC变换器系统的三个模块均正常；当输出信号Fs2为高电平、输出信号Fs1、Fs3为低电平，指示三模块DC-DC变换器系统的模块1发生了故障；当输出信号Fs3为高电平、输出信号Fs1、Fs2为低电平，指示三模块DC-DC变换器系统的模块2发生了故障；当输出信号Fs1为高电平、输出信号Fs2、Fs3为低电平，指示三模块DC-DC变换器系统的模块3发生了故障。
从图4与图5可以看出本实施例提供的故障诊断装置及方法，可以在一个开关周期内检测到故障的发生并对故障进行定位，效果明显。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于磁性元件电压的模块化DC-DC变换器故障诊断装置，其特征在于，包括多个信号处理电路与一个故障诊断电路；所述信号处理电路的数量与待诊断模块化DC-DC变换器的DC-DC模块数相同；
所述信号处理电路包括调理电路和电压比较器；所述调理电路的输入端作为所述信号处理电路的输入端用于接入模块化DC-DC变换器的磁性元件电压信号，所述电压比较器的输入端与所述调理电路的输出端相连，所述电压比较器的输出端作为信号处理电路 的输出端与所述诊断电路的输入端相连，通过所述故障诊断电路的输出端输出故障指示信号；
所述调理电路包括两个级联的反向放大电路；
其中一个反向放大电路包括第一运算放大器N1、第一电阻R1、第二电R2和第一滤波电容C；第一运算放大器N1的输入正端与第一电阻R1的一端相连，第一电阻R1的另一端用于连接磁性元件电压信号vi的正端；第一运算放大器N1的输入负端用于连接磁性元件电压信号vi的负端；第一运算放大器N1的输入正端与第一运算放大器N1的输出端之间并联有第二电R2和第一滤波电容C；
另一个反向放大电路包括第二运算放大器N2、第三电阻R3、第四电R4；第二运算放大器N2的输入正端接地，第二运算放大器N2的输入负端与第一运算放大器N1的输出端之间串联有第三电阻R3，第二运算放大器N2的输入负端与第二运算放大器N2的输出端之间并联有第四电阻R4；
所述调理电路用于对磁性元件电压进行滤波整形，电压比较器用于把滤波整形后的磁性元件电压转换为逻辑信号；
所述信号处理电路用于对磁性元件电压信号进行滤波整形；故障诊断电路用于对滤波整形后的磁性元件电压信号进行延时、整形和比较，根据比较结果形成故障指示信号。
2.如权利要求1所述的模块化DC-DC变换器故障诊断装置，其特征在于，所述故障诊断电路包括延时电路、整形电路、同或门电路和锁存器电路；
所述延时电路的输入端作为故障诊断电路的输入端、整形电路的输入端与延时电路的输出端相连；同或门电路的输入端与电压比较器的输出端相连；锁存器电路的输入端与同或门的输出端相连，锁存器的输出端作为故障诊断电路的输出端；
所述延时电路用于对模块化DC-DC变换器的DC-DC变换模块对应的逻辑信号进行延时调节；整形电路用于将延时电路的输出信号整形成标准的脉冲信号；同或门电路用于对DC-DC变换模块所对应的标准脉冲信号进行两两比较；锁存器电路用于保存同或门电路输出的信号，作为故障指示信号。
3.一种基于权利要求1～2任一项所述的模块化DC-DC变换器故障诊断装置的故障诊断方法，其特征在于，将模块化DC-DC变换器内各DC-DC变换模块的磁性元件电压转换为逻辑信号后经过延时和整型，后采用逻辑门进行比较，将比较结果进行锁存后作为故障指示信号。
4.如权利要求3所述的故障诊断方法，其特征在于，采用以下转换式将电压信号转换为逻辑信号：
其中，Vth是逻辑转换阈值电压，smi是逻辑信号，vmi是磁性元件电压。
5.如权利要求3或4所述的故障诊断方法，其特征在于，通过在各DC-DC变换模块的磁性元件磁芯上增加辅助绕组，获得按比例缩小的磁性元件电压信号。
6.如权利要求3或4所述的故障诊断方法，其特征在于，当故障指示信号为高电平组合，判定模块化DC-DC变换器在正常状态下；当故障指示信号为高、低电平组合，则判定模块化DC-DC变换器发生故障。
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