CN109613449A - 一种针对双主动全桥变换器的故障检测方法 - Google Patents

一种针对双主动全桥变换器的故障检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种针对双主动全桥变换器的故障检测方法，本发明方法采用四个电压传感器测量原副边两侧桥臂中点电压VAG1,VBG1,VEG2和VFG2来检测此时的桥臂电压情况；通过对不同开关管在开路故障情况时，直流变换器桥臂两侧的电压V1与V2的波形畸变情况的分析得到不同开关管开路故障时桥臂两侧电压均值的变化情况；当开路故障的发生导致桥臂中点电压VAG1,VBG1,VEG2和VFG2的均值变化大于判断阈值时，通过变化情况探测到故障的发生与定位故障开关管，从而确保直流变换器的安全运行。同时该方法只需要采样桥臂中值电压，不需要昂贵的电流传感器或者引入辅助绕组，因此效果好，成本低，实现简单。

Description

一种针对双主动全桥变换器的故障检测方法
技术领域
本发明涉及双向主动全桥直流变换器，特别涉及一种针对双主动全桥变换器的故障检测方法。
背景技术
隔离式双向主动全桥直流变换器(Dual active bridge,DAB)由于其具体双向能力传输能力、能量密度高、易实现软开关等优点，在分布式发电系统、电动汽车、可再生能源联合发电系统等领域有着广泛的应用。图1展示了DAB变换器主要有八个开关S1～S8组成的两个两个全桥电路，两个直流滤波电容Cin和C0、一个高频电感Ls和变压器T。
为了确保控制能灵活控制输出电压和功率并且确保较大的工作效率，双主动全桥变换器的控制主要依靠的是移相控制策略。图2展示了使用多重移相控制策略的双向主动全桥变换器的变压器原边电压V1，副边电压V2和电感电流iL.其中D1，D2和D3分别表示的是S1和S4，S5和S8还有S1和S8之间的相位角度。
在DAB变换器运行过程中，由于静电、过电压、过电流等的因素的影响，变换器变换器中的开关管可能出现短路或者开路故障，进而危及变换器的安全运行。因此故障状态与故障元件需要被迅速的检测与定位。传统的故障检测一般是利用电流传感器检测电感电流iL的幅值来实现。其中短路故障因为会引起极大的短路电流，使得其较易被检测到。而开路故障因为不会直接在电路里引发极大的电流变化，从而难以被传统的检测方式检测到。而采用更小的故障电流检测阈值来检测开路故障电流会导致检测系统工作范围有限、易误动作等一系列问题。同时电感电流检测也难以精确定位具体的故障元件，加剧了隔离故障时的难度。
发明内容
本发明目的是：为了克服传统技术中无法有效检测与定位开关管开路故障的问题，本发明提出了一种基于双主动全桥隔离变换器的原副边全桥输出电压V1和V2在开路故障情况下的畸变情况来检测与定位故障开关管的优化检测方法。
本发明的技术方案是：
一种针对双主动全桥变换器的故障检测方法，所述双主动全桥变换器包括开关管S1～S4组成的原边全桥变换器、开关管S5～S8组成的副边全桥变换器、电感Ls和变压器T；所述原边全桥变换器输出电压V1和副边全桥变换器输出电压V2分别连接到变压器T的原、副边，电感Ls与变压器T原边串联；所述故障检测方法包括：
(1)采用四个电压传感器测量原副边两侧桥臂中点电压VAG1,VBG1,VEG2和VFG2来检测此时的桥臂电压情况；
(2)通过对不同开关管在开路故障情况时，直流变换器桥臂两侧的电压V1与V2的波形畸变情况的分析得到不同开关管开路故障时桥臂两侧电压均值的变化情况；
(3)当开路故障的发生导致桥臂中点电压VAG1,VBG1,VEG2和VFG2的均值变化大于判断阈值时，通过变化情况探测到故障的发生与定位故障开关管，从而确保直流变换器的安全运行。
优选的，所述原边全桥变换器经过直流滤波电容Cin与输入电源Vin相连，副边全桥变换器经过直流滤波电容C0与输出电源V0相连。
优选的，八个开关管S1～S8的驱动信号均为频率相同占空比为50％的方波；其中S1与S2，S3与S4，S5与S6，S7和S8之间的驱动信号互补；同时,开关管S1与开关管S4之间驱动脉冲移相被定义为D1，开关管S5与开关管S8之间驱动脉冲移相被定义为D2，开关管S1与开关管S8之间驱动脉冲移相被定义为D3。
优选的，当开关管S1在阶段F1时发生了开路故障，在阶段F4时，开路故障会导致电压V1会的幅值在F4到F6阶段降低到了零，并且在F6与F7阶段等于V0；此时S1故障会导致V1电压畸变，从而导致桥臂中值电压VAG1的电压均值变小；因此通过对于不同开关管开路故障的情况进行分析和归类，可以得知此时原边全桥输出电压V1与副边输出电压V2和四个桥臂中值VAG1,VBG1,VEG2和VFG2的变化情况。
优选的，采用桥臂中值电压VAG1,VBG1,VEG2和VFG2的均值变化情况来定位与检测开关管开路故障，具体通过采样桥臂中值电压并计算均值后与正常运行状态下的均值0.5Vin或0.5V0进行比较；当桥臂中值电压的变化范围超越预设的阈值时，将通过此时均值变化的情况定位此时开路故障元件。
本发明的优点是：
本发明方法采用四个电压传感器测量原副边两侧桥臂中点电压VAG1,VBG1,VEG2和VFG2来检测此时的桥臂电压情况；通过对不同开关管在开路故障情况时，直流变换器桥臂两侧的电压V1与V2的波形畸变情况的分析得到不同开关管开路故障时桥臂两侧电压均值的变化情况；当开路故障的发生导致桥臂中点电压VAG1,VBG1,VEG2和VFG2的均值变化大于判断阈值时，通过变化情况探测到故障的发生与定位故障开关管，从而确保直流变换器的安全运行。同时该方法只需要采样桥臂中值电压，不需要昂贵的电流传感器或者引入辅助绕组，因此效果好，成本低，实现简单。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1为本发明采用的隔离式双向主动全桥直流变换器的拓扑结构；
图2为本发明所述的隔离式双向主动全桥变换器采用额多重移相控制策略在正常工作情况下的波形图；
图3为本发明所述的隔离式双向主动全桥变换器采用额多重移相控制策略在开关管S1故障情况下的波形图；
图4为本发明所述的针对采用多重移相控制策略下的隔离式双向主动全桥变换器开光开路故故障的检测算法流程图；
图5分别为开关管S2发生开路故障时的波形图与检测信号的实验测试结果(a)和开关管S6发生开路故障时的波形图与检测信号的实验测试结果(b)。
具体实施方式
如图1所示，本发明采用的隔离式双主动全桥直流变换器的拓扑结构，所述双主动全桥变换器包括开关管S1～S4组成的原边全桥变换器、开关管S5～S8组成的副边全桥变换器、电感Ls和变压器T；所述原边全桥变换器输出电压V1和副边全桥变换器输出电压V2分别连接到变压器T的原、副边，电感Ls与变压器T原边串联；所述原边全桥变换器经过直流滤波电容Cin与输入电源Vin相连，副边全桥变换器经过直流滤波电容C0与输出电源V0相连。本发明采用四个电压传感器测量原副边两侧桥臂中点电压VAG1,VBG1,VEG2和VFG2来检测此时的桥臂电压情况。
本发明中双向全桥变换器采用多重相移控制策略。八个开关管S1～S8的驱动信号均为频率相同占空比为50％的方波；其中S1与S2，S3与S4，S5与S6，S7和S8之间的驱动信号互补；同时,开关管S1与开关管S4之间驱动脉冲移相被定义为D1，开关管S5与开关管S8之间驱动脉冲移相被定义为D2，开关管S1与开关管S8之间驱动脉冲移相被定义为D3。
通过对不同开关管在开路故障情况时，直流变换器桥臂两侧的电压V1与V2的波形畸变情况的分析得到不同开关管开路故障时桥臂两侧电压均值的变化情况；例如图3展示了当开关管S1在阶段F1时发生了开路故障，在阶段F4时，开路故障会导致电压V1会的幅值在F4到F6阶段降低到了零，并且在F6与F7阶段等于V0；此时S1故障会导致V1电压畸变，从而导致桥臂中值电压VAG1的电压均值变小；因此通过对于不同开关管开路故障的情况进行分析和归类，可以得知此时原边全桥输出电压V1与副边输出电压V2和四个桥臂中值VAG1,VBG1,VEG2和VFG2的变化情况。
为了及时而准确的定位具体故障开关元件，本发明采用桥臂中值电压VAG1,VBG1,VEG2和VFG2的均值变化情况来定位与检测开关管开路故障，其具体控制流程如图4所示，通过采样桥臂中值电压并计算均值后与正常运行状态下的均值0.5Vin或0.5V0进行比较；当桥臂中值电压的变化范围超越预设的阈值时，将通过此时均值变化的情况定位此时开路故障元件。
图5是开关管S2与S6发生开路故障时的波形图与检测信号，可以看到此时当开路故障发生时原边全桥输出电压V1和V2发生了畸变，而此时本发明所提出的故障检测控制方法可以及时发现与定位故障。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明主要技术方案的精神实质所做的修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种针对双主动全桥变换器的故障检测方法，所述双主动全桥变换器包括开关管S1～S4组成的原边全桥变换器、开关管S5～S8组成的副边全桥变换器、电感Ls和变压器T；所述原边全桥变换器输出电压V1和副边全桥变换器输出电压V2分别连接到变压器T的原、副边，电感Ls与变压器T原边串联；
其特征在于，所述故障检测方法包括：
(1)采用四个电压传感器测量原副边两侧桥臂中点电压VAG1,VBG1,VEG2和VFG2来检测此时的桥臂电压情况；
(2)通过对不同开关管在开路故障情况时，直流变换器桥臂两侧的电压V1与V2的波形畸变情况的分析得到不同开关管开路故障时桥臂两侧电压均值的变化情况；
(3)当开路故障的发生导致桥臂中点电压VAG1,VBG1,VEG2和VFG2的均值变化大于判断阈值时，通过变化情况探测到故障的发生与定位故障开关管，从而确保直流变换器的安全运行。
2.根据权利要求1所述的针对双主动全桥变换器的故障检测方法，其特征在于：所述原边全桥变换器经过直流滤波电容Cin与输入电源Vin相连，副边全桥变换器经过直流滤波电容C0与输出电源V0相连。
3.根据权利要求2所述的针对双主动全桥变换器的故障检测方法，其特征在于：八个开关管S1～S8的驱动信号均为频率相同占空比为50％的方波；其中S1与S2，S3与S4，S5与S6，S7和S8之间的驱动信号互补；同时,开关管S1与开关管S4之间驱动脉冲移相被定义为D1，开关管S5与开关管S8之间驱动脉冲移相被定义为D2，开关管S1与开关管S8之间驱动脉冲移相被定义为D3。
4.根据权利要求1所述的针对双主动全桥变换器的故障检测方法，其特征在于：当开关管S1在阶段F1时发生了开路故障，在阶段F4时，开路故障会导致电压V1会的幅值在F4到F6阶段降低到了零，并且在F6与F7阶段等于V0；此时S1故障会导致V1电压畸变，从而导致桥臂中值电压VAG1的电压均值变小；因此通过对于不同开关管开路故障的情况进行分析和归类，可以得知此时原边全桥输出电压V1与副边输出电压V2和四个桥臂中值VAG1,VBG1,VEG2和VFG2的变化情况。
5.根据权利要求1所述的针对双主动全桥变换器的故障检测方法，其特征在于：采用桥臂中值电压VAG1,VBG1,VEG2和VFG2的均值变化情况来定位与检测开关管开路故障，具体通过采样桥臂中值电压并计算均值后与正常运行状态下的均值0.5Vin或0.5V0进行比较；当桥臂中值电压的变化范围超越预设的阈值时，将通过此时均值变化的情况定位此时开路故障元件。
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