CN112928941A - 一种全桥变换器功率开关管健康监测方法及系统 - Google Patents

一种全桥变换器功率开关管健康监测方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明属于电能变换装置中的监测技术领域，公开了一种全桥变换器功率开关管健康监测方法及系统，本发明提供的全桥变换器功率开关管健康监测方法的步骤为：第一步，同步采样电感L两端电压VL以及开关管Q1～Q4的开关信号s1～s4；第二步，根据s1～s4分离采样信号VL中分别对应开关管Q1～Q4的振铃信号；第三步，根据分离出的对应开关管Q1～Q4的振铃信号，分别计算相应的振铃频率；第四步，根据开关管Q1～Q4所对应的振铃频率，分别对Q1～Q4进行健康评估。本发明提供的方法不影响变换器的正常工作，可以精确地监测全桥变换器中功率开关管的振铃频率，为开关管的寿命预测提供依据。

Description

一种全桥变换器功率开关管健康监测方法及系统
技术领域
本发明属于电能变换装置中的监测技术领域，特别是一种全桥变换器功率开关管健康监测方法及系统。
背景技术
系统故障预测与健康管理(Prognostics and Health Management,PHM)是一种全面故障检测、隔离和预测及健康管理技术。通过监测系统的故障特征参数，借助各种推理算法来估计系统自身的健康状况，在系统故障发生前对其故障能尽早监测且能有效预测，准确定位退化或故障部位，并结合各种信息资源给出维修计划，从而实现系统的视情维修和自主式保障，对降低维护费用、保障系统的可靠性与安全性、提高战备完好率和任务成功率具有十分重要的意义。PHM主要包括故障预测及健康管理两大部分，其中故障预测是实现系统健康管理的基础。
电力电子技术的应用可大大提高电能变换装置功率密度，减小体积和重量。随着多电和全电飞机的发展，飞机用电量不断增加，机载电力电子设备越来越多，因此对机载电力电子变换装置的可靠性、可维护性及可测试性提出了更高的要求，电力电子系统的PHM的重要性也随之提高。
根据故障性质不同，电力电子变换电路的故障主要可分为结构性故障和参数性故障。结构性故障指电路器件出现短路、断路而导致电路拓扑发生变化的故障。参数性故障指由于电力电子系统的器件参数退化而导致的软故障。参数性故障通常不会立即使系统瘫痪，但是会引起输出特性的改变，使系统的工作性能和可靠性降低；若能及时预测参数性故障，则可以避免演变为更为恶劣的系统结构性故障以及结构性故障导致的更严重的影响，大大提高系统可靠性。因此实现故障预测的关键是特征参数的准确提取。
功率开关管是电力电子变换电路的重要组成部分，也是故障率较高的部分。结电容变化是功率开光管老化的重要特征之一。由于功率开关管处于高功率、强非线性的工作状态，因而对其结电容监测的方法鲜见报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及到的缺陷，提供一种全桥变换器功率开关管健康监测方法及系统，能够间接监测功率开关管结电容的变化，对功率开关管的健康状态进行监测，从而为对电力电子电路进行故障预测提供依据。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
一种全桥变换器功率开关管健康监测方法，包括以下步骤：
步骤A)，同步采样电感L两端电压信号VL以及开关管Q1～Q4的开关信号s1～s4；
步骤B)，根据采样开关信号s1～s4分离采样电压信号VL中分别对应开关管Q1～Q4的振铃信号；
步骤C)，根据步骤B)分离出的对应开关管Q1～Q4的振铃信号，分别计算对应开关管Q1～Q4的振铃频率；
步骤D)，根据步骤C)计算得到的对应开关管Q1～Q4的振铃频率，分别对开关管Q1～Q4进行健康评估。
进一步的，所述步骤B)具体为：s3×VL对应开关管Q1的振铃信号；s4×VL对应开关管Q2的振铃信号；s1×VL对应开关管Q3的振铃信号；s2×VL对应开关管Q4的振铃信号。
进一步的，所述步骤C)具体为：对所述对应开关管Q1～Q4的振铃信号分别进行FFT分析获得幅值-频率特性曲线，取各个幅值-频率特性曲线中幅值峰值对应的频率点为各个开关管的振铃频率。
进一步的，所述全桥变换器为全桥逆变器或全桥直直变换器。
进一步的，对开关管Q1～Q4进行健康评估的方法为，将各个开关管Q1～Q4的振铃频率分别与振铃频率平均值进行比较，若偏移量超过平均值的30％，则判定对应的开关管为失效。
本发明还提供了一种全桥变换器功率开关管健康监测系统，包括：全桥变换器、信号采集单元、振铃信号分离单元、振铃频率提取单元和功率开关管健康评估单元；所述全桥变换器为全桥逆变器或全桥直直变换器；
所述信号采集单元用于同步采样电感L两端电压信号VL以及开关管Q1～Q4的开关信号s1～s4；
所述振铃信号分离单元用于根据所述信号采集单元获取的电压信号VL和开关信号s1～s4；分离得到所述电压信号VL中分别对应开关管Q1～Q4的振铃信号；
其中，s3×VL为对应开关管Q1的振铃信号；s4×VL为对应开关管Q2的振铃信号；s1×VL为对应开关管Q3的振铃信号；s2×VL为对应开关管Q4的振铃信号；
所述振铃频率提取单元用于将所述振铃信号分离单元分离得到的所述对应开关管Q1～Q4的振铃信号分别进行FFT分析获得对应开关管Q1～Q4的幅值-频率特性曲线，取各个所述幅值-频率特性曲线中幅值峰值对应的频率点为对应开关管Q1～Q4的振铃频率；
所述功率开关管健康评估单元用于将所述振铃频率提取单元得到的实时的对应开关管Q1～Q4的振铃频率分别与振铃频率平均值进行比较，对开关管Q1～Q4进行健康评估，若偏移量超过平均值的30％，则判定为失效。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
1.无需打断电路的正常工作，不影响变换器的正常工作；
2.在线监测功率开关管的结电容，为功率开关管的寿命预测提供依据；
3.监测方法简单易实现。
附图说明
图1为本发明中全桥变换器功率开关管健康监测方法流程图；
图2为本发明中全桥变换器功率开关管健康检测系统结构示意图；
图3为本发明实施例中振铃频率提取仿真波形图。
具体实施方式
本发明提供一种全桥变换器功率开关管健康监测方法，为使本发明的目的，技术方案及效果更加清楚、明确，以及参照附图并举实例对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，本发明公开了一种全桥变换器功率开关管健康监测方法，包括以下步骤：
步骤A)，同步采样电感L两端电压信号VL以及开关管Q1～Q4的开关信号s1～s4；
步骤B)，根据开关信号s1～s4分离步骤A)采样得到的电压信号VL中分别对应开关管Q1～Q4的振铃信号，具体方法为：s3×VL对应开关管Q1的振铃信号，s4×VL对应开关管Q2的振铃信号，s1×VL对应开关管Q3的振铃信号，s2×VL对应开关管Q4的振铃信号；
步骤C)，根据分离出的对应开关管Q1～Q4的振铃信号，分别计算对应开关管Q1～Q4的振铃频率，计算方法为：对振铃信号进行FFT分析获得幅值-频率特性曲线，取幅值-频率特性曲线中幅值峰值对应的频率点为振铃频率。
步骤D)，根据开关管Q1～Q4所对应的振铃频率，分别对Q1～Q4进行健康评估：将实时获取的各开关管的振铃频率分别与振铃频率平均值进行比较，偏移量超过平均值的30％则判定为失效。
如图2所示，本发明还提供了一种全桥变换器功率开关管健康监测系统，该功率开关管健康监测系统包括：全桥变换器、信号采集单元、振铃信号分离单元、振铃频率提取单元和功率开关管健康评估单元；全桥变换器为全桥逆变器或全桥直直变换器；信号采集单元用于同步采样电感L两端电压信号VL以及开关管Q1～Q4的开关信号s1～s4；振铃信号分离单元用于根据信号采集单元获取的电压信号VL和开关信号s1～s4；分离得到电压信号VL中分别对应开关管Q1～Q4的振铃信号；其中，s3×VL为对应开关管Q1的振铃信号；s4×VL为对应开关管Q2的振铃信号；s1×VL为对应开关管Q3的振铃信号；s2×VL为对应开关管Q4的振铃信号；振铃频率提取单元用于将振铃信号分离单元分离得到的对应开关管Q1～Q4的振铃信号分别进行FFT分析获得对应开关管Q1～Q4的幅值-频率特性曲线，取各个幅值-频率特性曲线中幅值峰值对应的频率点为对应开关管Q1～Q4的振铃频率；功率开关管健康评估单元用于将振铃频率提取单元得到的实时的对应开关管Q1～Q4的振铃频率分别与振铃频率平均值进行比较，对开关管Q1～Q4进行健康评估，若偏移量超过平均值的30％，则判定为失效。
图3给出了全桥变换器工作中功率开关光对应振铃提取仿真的波形图，从s3×VL波形图可以看到分离出来的开关管Q1所对应的振铃频率只含有高频交流分量；从其幅值-频率特性曲线S1(f)可以看出只存在单个峰值，易于频率的提取，验证了本方法的有效性。
本发明提供的全桥变换器功率开关管健康监测方法，可以在不影响电路正常工作的情况下实现对开关管结电容衰退的间接监测，为开关管的寿命预测提供依据，简单易实现，具有重要的实际应用价值。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种全桥变换器功率开关管健康监测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A)，同步采样电感L两端电压信号VL以及开关管Q1～Q4的开关信号s1～s4；
步骤B)，根据所述开关信号s1～s4分离步骤A)采样得到的电压信号VL中分别对应开关管Q1～Q4的振铃信号；
步骤C)，根据步骤B)分离出的所述对应开关管Q1～Q4的振铃信号，分别计算对应开关管Q1～Q4的振铃频率；
步骤D)，根据步骤C)计算得到的对应开关管Q1～Q4的振铃频率，分别对开关管Q1～Q4进行健康评估。
2.根据权利要求1所述的全桥变换器功率开关管健康监测方法，其特征在于，所述步骤B)具体为：s3×VL对应开关管Q1的振铃信号；s4×VL对应开关管Q2的振铃信号；s1×VL对应开关管Q3的振铃信号；s2×VL对应开关管Q4的振铃信号。
3.根据权利要求1所述的全桥变换器功率开关管健康监测方法，其特征在于，所述步骤C)中具体为：对所述对应开关管Q1～Q4的振铃信号分别进行FFT分析获得对应开关管Q1～Q4的幅值-频率特性曲线，取各个所述幅值-频率特性曲线中幅值峰值对应的频率点为振铃频率。
4.根据权利要求1所述的全桥变换器功率开关管健康监测方法，其特征在于，所述全桥变换器为全桥逆变器或全桥直直变换器。
5.根据权利要求1所述的全桥变换器功率开关管健康监测方法，其特征在于，所述对开关管Q1～Q4进行健康评估的方法为，将所述对应各开关管Q1～Q4的振铃频率分别与振铃频率平均值进行比较，若偏移量超过平均值的30％，则判定为失效。
6.一种全桥变换器功率开关管健康监测系统，其特征在于，包括：全桥变换器、信号采集单元、振铃信号分离单元、振铃频率提取单元和功率开关管健康评估单元；所述全桥变换器为全桥逆变器或全桥直直变换器；
所述信号采集单元用于同步采样电感L两端电压信号VL以及开关管Q1～Q4的开关信号s1～s4；
所述振铃信号分离单元用于根据所述信号采集单元获取的电压信号VL和开关信号s1～s4；分离得到所述电压信号VL中分别对应开关管Q1～Q4的振铃信号；
其中，s3×VL为对应开关管Q1的振铃信号；s4×VL为对应开关管Q2的振铃信号；s1×VL为对应开关管Q3的振铃信号；s2×VL为对应开关管Q4的振铃信号；
所述振铃频率提取单元用于将所述振铃信号分离单元分离得到的所述对应开关管Q1～Q4的振铃信号分别进行FFT分析获得对应开关管Q1～Q4的幅值-频率特性曲线，取各个所述幅值-频率特性曲线中幅值峰值对应的频率点为对应开关管Q1～Q4的振铃频率；
所述功率开关管健康评估单元用于将所述振铃频率提取单元得到的实时的对应开关管Q1～Q4的振铃频率分别与振铃频率平均值进行比较，对开关管Q1～Q4进行健康评估，若偏移量超过平均值的30％，则判定对应的开关管为失效。
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Application publication date: 20210608

Assignee: Jiangsu Indars Automation Technology Co.,Ltd.

Assignor: NANTONG University

Contract record no.: X2022320000288

Denomination of invention: A health monitoring method and system for full bridge converter power switches

Granted publication date: 20211112

License type: Common License

Record date: 20221130

EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract
EE01 Entry into force of recordation of patent licensing contract

Application publication date: 20210608

Assignee: NANTONG ZHONGNENG MACHINERY Co.,Ltd.

Assignor: NANTONG University

Contract record no.: X2023980053318

Denomination of invention: A Health Monitoring Method and System for Power Switching Transistors in Full Bridge Converters

Granted publication date: 20211112

License type: Common License

Record date: 20231221