CN112710922A - 一种双有源桥dc-dc变换器的开路故障诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双有源桥DC‑DC变换器的开路故障诊断方法，具体包括：据系统驱动脉冲信号及一次侧电感电流的极性计算双有源桥DC‑DC变换器两个H桥的开关函数；根据双有源桥DC‑DC变换器电路拓扑及工作原理，计算双有源桥DC‑DC变换器电感电流状态估计模型；根据故障下的桥臂间电压特征和电流残差特征，设计故障诊断算法。本发明实现了双有源桥DC‑DC变换器工作状态监测及不同开关管故障下的快速准确诊断，为双有源桥DC‑DC变换器的故障诊断技术提供新的诊断思路。

Description

一种双有源桥DC-DC变换器的开路故障诊断方法

技术领域

本发明属于电力电子系统的故障诊断技术领域，具体涉及一种双有源桥DC-DC变换器的开路故障诊断方法。

背景技术

作为一种通用的电能变换拓扑，双有源桥DC-DC变换器由于具有功率密度高、控制灵活性强、模块化设计等优势被应用于各种重要的电力转换系统，例如电动汽车，储能系统和电力电子变压器。随着对电力电子变换器的可靠性要求日益提高，双有源桥DC-DC变换器中的故障诊断问题已引起越来越多的关注。

功率模块作为最脆弱的半导体器件，其故障大致可分为开路故障和短路故障。短路故障主要包括开关短路、反并联二极管短路以及反并联二极管开路引起的开关短路。开路故障主要是由键合线剥离或断裂以及栅极驱动器故障引起的。因为任何短路故障都需要在10us内被检测，以避免损坏其他半导体器件或出现直通故障。基于软件的诊断保护难以实现，目前驱动电路已从集成硬件保护和监视设备的角度来隔离短路故障。但是开路故障不会立即使系统崩溃，这可能会导致其他组件承受过应力而导致更大的损失。此外，双有源桥DC-DC变换器包含大量的功率开关管，模块化后功率器件数量更是急剧增加。因此，研究双有源桥DC-DC变换器开关管开路故障的实时诊断方法对及时确定故障源、提高维护效率、降低系统保护成本具有重要意义。

在目前的诊断技术中，能够直接应用于双有源桥DC-DC变换器的诊断方法很少。对于诊断算法的设计而言，需要在尽量不增加或少增加硬件的基础上利用控制系统采集和输出的信号实现故障检测和定位。但双有源桥DC-DC变换器控制系统一般只采集了输入和输出电压，无法在不增加硬件设备的条件下完成故障开关定位。目前大部分用于全桥DC-DC变换器的诊断算法都会设计一个硬件检测电路，获取变换器内部的运行状态信息，主要包括桥臂电压和电感电流，检测信息都相对较多，无法推广应用到双有源桥DC-DC变换器中。此外，考虑到电力电子变换器都是由连续变化事件和离散变化事件驱动的，是一个典型的混杂系统。而混合逻辑动态(Mixed Logical Dynamic，MLD)建模作为混杂系统的一种建模方法，可以建立更精确的系统模型。为此，从双有源桥DC-DC变换器拓扑特点出发，以系统建模为基础，考虑桥臂电压和电感电流在故障前后的变化特征，研究设计一次侧和二次侧开路故障的诊断技术。

发明内容

鉴于现有应用于双有源桥DC-DC变换器的开路故障诊断技术的不足，为实现双有源桥DC-DC变换器工作状态监测及不同开关管故障下的快速准确诊断。本发明提供一种双有源桥DC-DC变换器的开路故障诊断方法。

本发明的一种双有源桥DC-DC变换器的开路故障诊断方法，实现双有源桥DC-DC变换器一次侧和二次侧功率模块的开路故障在线快速诊断，包括以下步骤：

步骤1：根据系统驱动脉冲信号及一次侧电感电流的极性计算双有源桥DC-DC变换器两个H桥的开关函数。

定义双有源桥DC-DC变换器一次侧H桥模块的左桥臂为a桥臂，右桥臂为b桥臂，二次侧H桥模块的左桥臂为c桥臂，右桥臂为d桥臂；对于一次侧H桥，a桥臂上方开关管T₁，a桥臂下方开关管T₂，b桥臂上方开关管T₃，b桥臂下方开关管T₄，D₁～D₄分别为各开关管的反并联二极管；对于二次侧H桥，c桥臂上方开关管T₅，c桥臂下方开关管T₆，d桥臂上方开关管T₇，d桥臂下方开关管T₈，D₅～D₈分别为各开关管的反并联二极管；利用双有源桥DC-DC变换器的开关管控制信号s₁、s₂、s₃、s₄、s₅、s₆、s₇、s₈以及一次侧电感电流i_L的极性计算一次侧和二次侧的开关函数；控制脉冲s₁～s₈有1、0两个取值，1表示导通信号，0表示关断信号；定义S_a、S_b、S_c、S_d分别为a、b、c、d桥臂的开关函数，每个H桥的开关函数有1、0、-1三个取值；考虑中频变压器的励磁阻抗远大于系统一二次侧阻抗的条件下，一次侧电感电流与二次侧电流近似相等；为此，定义流出一次侧H桥或流入二次侧H桥的电流方向为参考正方向，开关函数计算方法如下：

首先，定义桥臂开关函数S_a、S_b、S_c、S_d分别为

定义逻辑变量γ描述电感电流极性变化：

用S_ab和S_cd分别表示一次侧和二次侧H桥的开关函数：

S_ab＝S_a-S_b；S_cd＝S_c-S_d

根据开关状态表得到正常工作情况下系统一二次侧开关函数的计算方法：

其中，

为γ取逻辑非，

为s₂取逻辑非，

为s₄取逻辑非，

为s₆取逻辑非，

为s₈取逻辑非。

步骤2：根据步骤1所得开关函数，计算双有源桥DC-DC变换器电感电流状态估计模型：

根据双有源桥DC-DC变换器电路拓扑及工作原理，得到一二次侧桥臂间电压的计算表达式：

U_ab＝S_abU_in；U_cd＝S_cdU_o

其中，U_ab是一次侧a桥臂与b桥臂的中性点间电压，U_cd是二次侧c桥臂与d桥臂的中性点间电压，U_in是一次侧输入电压，U_o是二次侧输出电压；基于双有源桥DC-DC变换器的等效电路，忽略励磁电阻R_m和励磁电感L_m，考虑中频变压器的一二次侧漏阻抗和辅助电感，得到系统等效电感和等效电阻，并且一次侧和二次侧的电流近似相等：

其中L_r为一次侧辅助电感，L_p为变压器一次侧漏电感，L_s′为折算到一次侧的二次侧漏电感，R_p为变压器一次侧漏电阻，R_s′为折算到一次侧的二次侧漏电阻，i_Lp和i′_Ls分别为一次侧电流和折算后的二次侧电流；基于该等式，获得电路的等效电感值L，电路的等效电阻值R_e，并且一次侧电流和折算后二次侧的电流近似相等。

进一步可建立电感电流的状态估计模型：

其中，n为一次侧与二次侧的匝数比率。

步骤3：获取电感电流残差；系统电感电流测量值减去估计值

即可获得电感电流残差：

步骤4：建立故障诊断算法，实现对一次侧和二次侧功率模块开路故障的准确定位：

根据故障下的桥臂间电压特征，选择一次侧桥臂间电压为区分故障侧的检测变量，并结合电感电流残差进行故障定位；对两个检测变量归一化处理：

k_i＝|r_i|/|i_L|_av，k_u＝|U_ab|/U_in

其中，k_i表示电流检测变量，k_u表示电压检测变量；根据故障分析，一次侧的桥臂间电压与一次侧对角开关对的驱动信号直接相关；定义一个检测变量k：

其中，T_u表示电压故障阈值。

定义逻辑变量C来检测一次侧的故障，其中C₁₁表示T₁或T₄故障，C₁₂表示T₂或T₃故障：

其中，

为s₁取逻辑非，

为s₃取逻辑非，

为k取逻辑非。

如果C等于1，则锁存C、C₁₁和C₁₂的值，否则将电流检测变量与电流故障阈值比较：

其中，T_i表示电流故障阈值；如果D大于阈值并持续3个控制周期，则可判断双有源桥DC-DC变换器的二次侧发生了开路故障，并锁存电感电流i_L的值。

进一步地，通过锁存的C₁₁大小和i_L的极性选择注入的特定驱动脉冲信号；在注入信号后延时2个控制周期，提取电流残差的变化趋势：

根据G的大小，判断是否保持3个控制周期不变，定位出具体的故障开关管；由于不同开关管的故障特征在特定脉冲注入后变化趋势不同，不同开关管之间的诊断变量不会相互影响，由此可以快速直接地定位双有源桥DC-DC变换器一次侧和二次侧的故障开关管。

本发明的有益技术效果为：

本发明在实现在线实时系统中，实现双有源桥DC-DC变换器一次侧和二次侧的单个开关管开路故障在线诊断，而且诊断方法不受变换器输入电压波动、输出电压变动和运行工况变化的影响。该方法诊断时间短，可以在一个开关周期内及时隔离故障，避免系统二次故障的出现。用于检测的电感电流可以通过电流传感器获取，一次侧桥臂间电压可通过电压传感器或辅助变压器绕组间接获取。与现有用于双有源桥DC-DC变换器的诊断方法相比，可以在明显减少硬件设备的基础上实现对变换器一次侧和二次侧所有开关的故障检测。诊断算法可以集成到控制器中，实时性好，可以满足电能变换系统的检测要求。

附图说明

图1为本发明双有源桥DC-DC变换器的基本电路拓扑图。

图2为本发明双有源桥DC-DC变换器的等效电路图。

图3为本发明算法流程图。

图4为T₁开路故障前后系统输出和诊断变量的测试结果。

图5为T₄开路故障前后系统输出和诊断变量的测试结果。

图6为T₅开路故障前后系统输出和诊断变量的测试结果。

图7为T₆开路故障前后系统输出和诊断变量的测试结果。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明的双有源桥DC-DC变换器的基本电路拓扑如图1所示，双有源桥DC-DC变换器的等效电路如图2所示。本发明所提出的双有源桥DC-DC变换器在线故障诊断算法的输入量为：一次侧输入电压U_in、二次侧输出电压U_o、一次侧电感电流i_L、桥臂间电压U_ab、开关管驱动信号s₁、s₂、s₃、s₄、s₅、s₆、s₇、s₈和控制周期；双有源桥DC-DC变换器在线故障诊断算法的输出量为：估计的电感电流

电感电流残差r_i、故障检测逻辑变量C、C₁₁和C₁₂、电流变化趋势G、故障侧标志F_s以及故障开关标志F_s；双有源桥DC-DC变换器在线故障诊断算法需要设定的参变量有等效电感L、等效电阻R、匝数比率n以及检测阈值T_i和T_u。故障诊断算法的流程图如图3所示。

实施例：使用的Matlab/Simulink版本为2014b，控制周期为20us，控制方式为统一移相(unified phase shift,UPS)控制。

第1步：在Matlab/Simulink上搭建双有源桥DC-DC变换器正常工作模型，设定PWM开关频率为1000Hz，输入直流电压3000V，输出参考电压3000V，辅助电感1.8mH，负载电阻20Ω；在Simulink中搭建系统UPS控制算法，实现双有源桥DC-DC变换器的正常工作，并将故障诊断算法嵌入其中，进行在线的故障监测；

第2步：通过设置控制系统发出的驱动信号丢失，模拟开关管开路故障的效果；

第3步：每隔一个控制周期，采样得到一次侧输入电压U_in、二次侧输出电压U_o、一次侧电感电流i_L、桥臂间电压U_ab、开关管驱动信号的实时值，根据编写的故障诊断算法程序在每个控制周期计算电感电流的估计值；

第4步：根据实测电流值和估计电流值，计算得到电流残差r_i，利用桥臂间电压和驱动信号计算逻辑变量C、C₁₁和C₁₂，进行双有源桥DC-DC变换器的在线状态监测；

第5步：判断逻辑变量C的值是否为1，是则锁存C、C₁₁和C₁₂的值，故障侧标志F_s置为1，并进行第6步，否则进入电流残差判断。若变量D为1并保持3个控制周期即3T_c，则锁存电感电流值，故障侧标志F_s置为2，进入第7步，否则返回第3步和第4步继续进行状态监测；

第6步：如果C₁₁等于1，则注入特定驱动信号[s₁,s₄]＝[1,0]，延时2个控制周期即2T_c后，若电流残差变化趋势G等于1并保持3T_c，则故障开关为T₁，否则为T₄；如果C₁₁不等于1，则注入特定驱动信号[s₂,s₃]＝[1,0]，延时2个控制周期即2T_c后，若电流残差变化趋势G等于1并保持3T_c，则故障开关为T₂，否则为T₃。

第7步：如果电感电流小于0，则注入特定驱动信号[s₅,s₈]＝[1,0]，延时2个控制周期即2T_c后，若电流残差变化趋势G等于1并保持3T_c，则故障开关为T₅，否则为T₈；如果电感电流不小于0，则注入特定驱动信号[s₆,s₇]＝[1,0]，延时2个控制周期即2T_c后，若电流残差变化趋势G等于1并保持3T_c，则故障开关为T₆，否则为T₇。整个诊断算法的流程如图3所示。

基于Matlab/Simulink进行上述诊断算法测试，双有源桥DC-DC变换器正常工作和不同开关管故障下的测试结果如图4～7所示(图4为T₁开路故障前后系统输出和诊断变量的测试结果，图5为T₄开路故障前后系统输出和诊断变量的测试结果，图6为T₅开路故障前后系统输出和诊断变量的测试结果，图7为T₆开路故障前后系统输出和诊断变量的测试结果)。

Claims (1)

1.一种双有源桥DC-DC变换器的开路故障诊断方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：根据系统驱动脉冲信号及一次侧电感电流的极性计算双有源桥DC-DC变换器两个H桥的开关函数：

定义双有源桥DC-DC变换器一次侧H桥模块的左桥臂为a桥臂，右桥臂为b桥臂，二次侧H桥模块的左桥臂为c桥臂，右桥臂为d桥臂；对于一次侧H桥，a桥臂上方开关管T₁，a桥臂下方开关管T₂，b桥臂上方开关管T₃，b桥臂下方开关管T₄，D₁～D₄分别为各开关管的反并联二极管；对于二次侧H桥，c桥臂上方开关管T₅，c桥臂下方开关管T₆，d桥臂上方开关管T₇，d桥臂下方开关管T₈，D₅～D₈分别为各开关管的反并联二极管；利用双有源桥DC-DC变换器的开关管控制信号s₁、s₂、s₃、s₄、s₅、s₆、s₇、s₈以及一次侧电感电流i_L的极性计算一次侧和二次侧的开关函数；控制脉冲s₁～s₈有1、0两个取值，1表示导通信号，0表示关断信号；定义S_a、S_b、S_c、S_d分别为a、b、c、d桥臂的开关函数，每个H桥的开关函数有1、0、-1三个取值；考虑中频变压器的励磁阻抗远大于系统一二次侧阻抗的条件下，一次侧电感电流与二次侧电流近似相等；为此，定义流出一次侧H桥或流入二次侧H桥的电流方向为参考正方向，开关函数计算方法如下：

首先，定义桥臂开关函数S_a、S_b、S_c、S_d分别为

定义逻辑变量γ描述电感电流极性变化：

用S_ab和S_cd分别表示一次侧和二次侧H桥的开关函数：

S_ab＝S_a-S_b；S_cd＝S_c-S_d

根据开关状态表得到正常工作情况下系统一二次侧开关函数的计算方法：

其中，

为γ取逻辑非，

为s₂取逻辑非，

为s₄取逻辑非，

为s₆取逻辑非，

为s₈取逻辑非；

步骤2：根据步骤1所得开关函数，计算双有源桥DC-DC变换器电感电流状态估计模型：

根据双有源桥DC-DC变换器电路拓扑及工作原理，得到一二次侧桥臂间电压的计算表达式：

U_ab＝S_abU_in；U_cd＝S_cdU_o

其中，U_ab是一次侧a桥臂与b桥臂的中性点间电压，U_cd是二次侧c桥臂与d桥臂的中性点间电压，U_in是一次侧输入电压，U_o是二次侧输出电压；基于双有源桥DC-DC变换器的等效电路，忽略励磁电阻R_m和励磁电感L_m，考虑中频变压器的一二次侧漏阻抗和辅助电感，得到系统等效电感和等效电阻，并且一次侧和二次侧的电流近似相等：

其中L_r为一次侧辅助电感，L_p为变压器一次侧漏电感，L′_s为折算到一次侧的二次侧漏电感，R_p为变压器一次侧漏电阻，R′_s为折算到一次侧的二次侧漏电阻，i_Lp和i′_Ls分别为一次侧电流和折算后的二次侧电流；基于该等式，获得电路的等效电感值L，电路的等效电阻值R_e，并且一次侧电流和折算后二次侧的电流近似相等；

进一步可建立电感电流的状态估计模型：

其中，n为一次侧与二次侧的匝数比率；

步骤3：获取电感电流残差；系统电感电流测量值减去估计值

即可获得电感电流残差：

步骤4：建立故障诊断算法，实现对一次侧和二次侧功率模块开路故障的准确定位：

根据故障下的桥臂间电压特征，选择一次侧桥臂间电压为区分故障侧的检测变量，并结合电感电流残差进行故障定位；对两个检测变量归一化处理：

k_i＝|r_i|/|i_L|_av，k_u＝|U_ab|/U_in

其中，k_i表示电流检测变量，k_u表示电压检测变量；根据故障分析，一次侧的桥臂间电压与一次侧对角开关对的驱动信号直接相关；定义一个检测变量k：

其中，T_u表示电压故障阈值；

定义逻辑变量C来检测一次侧的故障，其中C₁₁表示T₁或T₄故障，C₁₂表示T₂或T₃故障：

其中，

为s₁取逻辑非，

为s₃取逻辑非，

为k取逻辑非；

如果C等于1，则锁存C、C₁₁和C₁₂的值，否则将电流检测变量与电流故障阈值比较：

其中，T_i表示电流故障阈值；如果D大于阈值并持续3个控制周期，则可判断双有源桥DC-DC变换器的二次侧发生了开路故障，并锁存电感电流i_L的值；

进一步地，通过锁存的C₁₁大小和i_L的极性选择注入的特定驱动脉冲信号；在注入信号后延时2个控制周期，提取电流残差的变化趋势：

根据G的大小，判断是否保持3个控制周期不变，定位出具体的故障开关管；由于不同开关管的故障特征在特定脉冲注入后变化趋势不同，不同开关管之间的诊断变量不会相互影响，由此可以快速直接地定位双有源桥DC-DC变换器一次侧和二次侧的故障开关管。

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