雙向全橋DC-DC變換器故障診斷研究

聞 飛

(淮河水利委員會水文局信息中心，安徽 蚌埠 233001)

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雙向全橋DC-DC變換器故障診斷研究

聞 飛

(淮河水利委員會水文局信息中心，安徽 蚌埠 233001)

隨著智能電網(wǎng)建設需求的發(fā)展，無工頻變壓器大功率電力電子變換器，以其低污染、高效率、智能化等多種優(yōu)勢引起人們越來越多的關(guān)注。無工頻變壓器大功率變換器的兩種單相拓撲，由級聯(lián)式多電平AC-DC整流模塊、雙向DC-DC變換模塊和多電平DC-AC逆變模塊構(gòu)成。根據(jù)雙向全橋DC-DC變換器的故障診斷的原理，對現(xiàn)價段故障診斷的研究成果進行分析比較，提出了一種基于通過提取高頻隔離變壓器原邊電壓作為診斷特征的故障診斷方法。當開路故障診斷發(fā)生在雙向全橋DC-DC變換器原邊的任一開關(guān)時刻，可以產(chǎn)生的異常狀態(tài)的指示，并且會在控制系統(tǒng)中觸發(fā)一個有源移相，在此時可以準確的定位出故障開關(guān)的位置。并通過仿真實驗對該故障診斷方法進行驗證，證明了該方法的正確性和在實際電路中的可用性。

全橋雙向DC-DC變換器；故障診斷；開路故障；有源移相

隨著智能電網(wǎng)建設需求的發(fā)展，無工頻變壓器大功率電力電子變換器，以其低污染、高效率、智能化等多種優(yōu)勢引起人們越來越多的關(guān)注。無工頻變壓器大功率變換器的兩種單相拓撲，由級聯(lián)式多電平AC-DC整流模塊、雙向DC-DC變換模塊和多電平DC-AC逆變模塊構(gòu)成。其中雙向DC-DC變換模塊通常采用雙H橋DC-DC變換器結(jié)構(gòu)[1]。

在生產(chǎn)工藝的關(guān)鍵流程中電力電子系統(tǒng)通常被廣泛的應用，如果電力電子設備產(chǎn)生故障，將會在生產(chǎn)中不斷地出現(xiàn)重大的經(jīng)濟損失。在步入二十一世紀之后，與電力電子系統(tǒng)相關(guān)的故障診斷技術(shù)正在迅速地發(fā)展, 故障檢測技術(shù)和診斷系統(tǒng)設計也是日趨智能化與便捷化，尤其是最近這些年，神經(jīng)網(wǎng)絡和模糊推理，以及狀態(tài)識別等技術(shù)開始在電力電子系統(tǒng)的故障診斷中廣泛應用，而這一發(fā)展，則是為電力電子電路的智能故障診斷技術(shù)開辟了一個全新的發(fā)展領域和方向。

在這可以參照國際上故障診斷領域方面的權(quán)威——德國P·M·Frank教授的觀點，將目前電力電子系統(tǒng)故障診斷方法可以簡單地劃分成三種方法：基于解析模型的方法，基于知識的方法，基于信號處理的方法。

現(xiàn)階段，也有很多成熟的故障診斷的方法應用在具體的科技研究和實際操作之中，如：

第一，近年來，有中國的學者提出了一種利用磁場的波形作為故障診斷的特征，他們認為在現(xiàn)階段，利用電壓和電流作為故障診斷特征的故障診斷的方法已經(jīng)出現(xiàn)不少了，通過傳感器或者是電流表、電壓表可以較為容易地獲得相關(guān)的信息，再通過建立一個成熟的數(shù)學模型和電路拓撲結(jié)構(gòu)，將參數(shù)輸入進去，在基于知識分析和理論模型的方法來進行分析和判斷。一旦電壓和電流的數(shù)據(jù)通過傳感器和變壓器獲得之后，就可以對其進行解構(gòu)、模擬、分析。但是又由于電壓和電流傳感器受到能量等級和尺寸、造價、效率的限制，所以以電壓和電流作為故障診斷特征的故障診斷方法的適用范圍并不是非常廣泛。

第二，來自韓國新能源方面的學者，他們提出了一種在線對故障類型進行診斷的方法，他們認為對每個雙向DC-DC變換器進行分別的、單獨的故障診斷電路的設計，在大型的工業(yè)生產(chǎn)與住宅集群中應用起來耗費過大，所以他們主張對所有的電力電子元件的故障特征進行統(tǒng)一的提取和整合，通過在網(wǎng)上對信息進行系統(tǒng)的、實時的分析來判斷出故障的位置和類型。但是這一方法的實施上也會帶來許多問題，第一，對于網(wǎng)絡終端分析結(jié)構(gòu)的要求比較高；第二，雖然是降低了在各個元器件上故障診斷的花費，但是網(wǎng)絡終端的消耗也是很大的；第三，對維修人員的素質(zhì)提出了較高的要求，必須具備分析和在線給予指導的能力。

1 故障診斷方法論述

在電力電子系統(tǒng)中，往往會出現(xiàn)器件故障，例如：半導體的老化，驅(qū)動的故障，傳導的故障，所以在很多的情況下，往往會要求提出一種解決方法，可以在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，快速地檢測出現(xiàn)故障的電子器件和開關(guān)，區(qū)分出故障的原因，進而分析并提出解決方案，做到事半功倍。在電力電子故障檢測方面，一開始，多是采取分析次要特征，例如線下分析，現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)，噪聲等方法。當然，還有一些簡單的故障診斷手段，通過在電路中的各個部分都加裝傳感器，對電路系統(tǒng)中的電壓，電流，溫度等參數(shù)進行測量與分析。不過，這樣的故障診斷策略，往往會產(chǎn)生一個復雜的系統(tǒng)，并且在經(jīng)濟投入上會大幅的增加。從而，在后續(xù)的維護與保養(yǎng)方面，都會增加大量的精力消耗和經(jīng)濟投入[2]。

最近的調(diào)查統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，在電力電子器件的系統(tǒng)之中，最容易損壞的器件就是功率開關(guān)管。由于電力開關(guān)的重要性，很多專家學者都致力于研究功率開關(guān)管的故障特征，并發(fā)表了很多高水平的文章。功率開關(guān)管的故障，一般分為兩類：開路故障和短路故障。短路故障的故障檢測和故障保護是快捷的，且從故障產(chǎn)生至故障中間，電路的響應速度是高速高效的[3]。目前，有很多研究短路故障的保護在工業(yè)中運用的成果，而本文所研究的是電力開關(guān)的開路故障，副邊開關(guān)的開路保護不在研究范圍之中。

為了能將開路故障的開關(guān)位置準確確定出來，必須要有足夠的采樣信號提供給故障診斷電路進行檢測和分析。常用的采樣信號是輸出電壓或者是輸出電流。然而，這些采樣信號經(jīng)過負載端后，部分故障信息會發(fā)生丟失。因此，無法從這些信號中提取故障特征。同時，變壓器的初級電流的波形與故障開關(guān)位置有關(guān)因此也可以用來確定故障位置，但是雙向DC-DC中的主電感具有濾波功能，很難從變壓器初級電流中提取出全部故障特征。

在實際的操作中，故障診斷的執(zhí)行過程分為三個步驟：①產(chǎn)生殘差，就是要能夠產(chǎn)生反映故障相應的信號；②對殘差進行評估，就是對故障發(fā)生的時間和地點進行系統(tǒng)分析和邏輯決策；③對故障進行分析，就是要決定故障的類型、大小及其發(fā)生的原因。根據(jù)殘差產(chǎn)生形式的不同，基于解析模型的故障診斷方法又被分成了：狀態(tài)估計方法和參數(shù)估計方法[4]。

1)狀態(tài)估計方法。這一方法的基本思想是基于系統(tǒng)的解析模型與可測信息，設計出一個觀測器，在通過對輸入和輸出端的信號進行系統(tǒng)的估計后，重構(gòu)系統(tǒng)中的某一個觀測的變量，然后，再由觀測器的輸出與實際構(gòu)建的系統(tǒng)的輸出構(gòu)造出一個殘差，進而再對殘差進行分析處理，再來實現(xiàn)設計的系統(tǒng)的故障診斷。所以，關(guān)鍵的任務，那就是設計檢測觀測器，這樣才能夠診斷出盡可能多的故障，而是在不同故障中的輸出殘差中具有不同的方向特性，再通過對狀態(tài)殘差的進行分析和再處理，進而利用故障決策方法，然后再來實現(xiàn)故障元件的檢測與隔離的操作。

2)參數(shù)估計方法。參數(shù)估計方法，則是根據(jù)相應的物理參數(shù)和模型參數(shù)的變化，進而來檢測和隔離系統(tǒng)的故障。這個方法的基本理念就是：被診斷對象發(fā)生故障，實質(zhì)上就是它的過程系數(shù)的變化，通常的，這一過程又會導致變化系統(tǒng)的相應參數(shù)的發(fā)生。因此，本章可以根據(jù)對應的過程系數(shù)和系統(tǒng)參數(shù)變化來檢測診斷系統(tǒng)的故障[5-6]。在與方法(1)相比之后，可以觀察出，參數(shù)估計法更利于故障的分離。

2 原邊電壓采樣診斷法

本文所采用的故障診斷方法，是利用原邊電壓來進行判斷故障的類別，所以采用原邊電壓來判斷故障類別的原因，主要是因為原邊電壓的穩(wěn)定波形相對而言比較容易達到，另外究其本身的拓撲結(jié)構(gòu)，核心是一個變壓器，所以利用原邊電壓作為故障診斷的特征提取量。

將基于解析模型的故障診斷方法應用于雙向DC-DC中，所采用的雙向全橋DC-DC變換器故障診斷電路如圖1。Q1-Q4是變換器原邊的四個開關(guān)管,D1-D4是變換器副邊的四個開關(guān)管。原邊和副邊都是由四個開關(guān)管，四個輸出電容器(C1-C4)，以及四個反并聯(lián)的二極管組成。此外在原邊，加了電容Cb，副邊上輸出電感為Lf，輸出電容為Cf。

圖1 雙向全橋變換故障診斷電路圖

不同于輸出電流、輸出電壓以及變壓器的初級電流，變壓器的初級電壓Vout的波形的形狀是由原邊的開關(guān)狀況直接確定的。這可以為故障診斷提供足夠的信息。Vout1作為將采樣變壓器的原邊電壓和基準值做比較后得到的殘差，可在實際電路中的直接測量出來。所以主要對變壓器原邊電壓進行采樣，并通過故障診斷電路對其進行分析，故障診斷電路是帶有DSP控制器和故障診斷單元的雙向全橋DC-DC變換器(見圖2)，首先通過圖2中的故障診斷電路1來判斷是否發(fā)生故障，然后通過5中的故障診斷電路2對故障開關(guān)的位置進行確定。

圖2 檢測電路1

(a)

(b)圖3 檢測電路2

由圖2可知，對原邊電壓Vout進行采樣，將該信號送入檢測電路1中，將該電壓與基準電壓Vcom1利用比較器1進行比較后得到Vout1，通過RC進行低通濾波得到Vout1的平均值Vfilter，再將該平均值送到比較器2得到判斷是否發(fā)生故障的信號。當為高電平時，有故障發(fā)生；當為低電平時，沒有故障發(fā)生。當有故障發(fā)生時，再將Vout送到檢測電路2中(見圖3)，得到可以確定故障開關(guān)位置的四個輸出信號：F1，F(xiàn)2，F(xiàn)3，F(xiàn)4。因而分別判斷出故障發(fā)生與否、發(fā)生故障開關(guān)管的位置。F1-F4與開關(guān)管Q1-Q4故障管關(guān)系如表1所示。

表1 故障關(guān)系表

3 故障情況下電路分析

在對該雙向DC-DC電路在故障情況下進行分析之前，要明確如下幾個前提條件[7]：

1)所有的開關(guān)都是假定處于理想狀態(tài)之下的，而且D1-D4是假定不會發(fā)生故障的，即本文中只對原邊的四個開關(guān)進行故障檢測。

2)Cb為足夠大的電容，在一個周期內(nèi)，可被視為一個恒定的電壓源。

3)C1-C4擁有同樣的電容值。

4)小的電流波動忽略不計，通過Lf的電流被視為通過負載的電流Io。

基于上述的假設，得到如下的公式

(1)

(2)

式(1～2)中：ip(t)為原邊上的電流；而Im為通過原邊繞組的電流；is(t)為副邊上的電流；VAB為節(jié)點A和節(jié)點B之間的電壓；VCb為電容Cb上的電壓；ip(t)為變壓器的初級電流；is(t)為變換器的二次電流。

當原邊中的任何開關(guān)發(fā)生開路故障時，輸出電壓都會降低到一個較低的水平，DSP控制器會通過減小移向比d來調(diào)整輸出電壓，保證其穩(wěn)定，直到d等于0。

為了方便，對Q2發(fā)生開路進行故障分析。在達到穩(wěn)定的一個工作周期內(nèi)，各個工作狀態(tài)的電路電流流向如圖4所示。

圖4 異常狀態(tài)下的運行狀態(tài)(1-6)

經(jīng)過上述對6個狀態(tài)的分析，可以得到正常狀態(tài)和故障狀態(tài)下各個參數(shù)值如表2所示。

表2 正常狀態(tài)和故障狀態(tài)下的參數(shù)

在一個開關(guān)周期里，當故障發(fā)生在Q2時。在狀態(tài)2、3、5和6下

t01= t34≈T=0.5 Ts

(3)

Ts是開關(guān)周期。而T是運行周期，在移相雙向全橋DC-DC變換器中，它是Ts的一半。在此運用伏秒關(guān)系，可以得到如下的等式

(Vdc- VCb) T+ (-VCb) T=0→VCb=0.5 Vdc

(4)

Vcom1= [Vdc+Vdc/2]/2Vcom1=3 Vdc/4

(5)

在經(jīng)過比較之后，可以發(fā)現(xiàn)RC濾波裝置是可以用來平滑Vout1的波形。當變換器工作在正常狀態(tài)下，Vout1的脈寬deff(deff是雙向全橋變換器的有效相移)。在濾波之后，Vfilter=deffVf/2(Vf在圖5中)。如果變換器工作在異常狀態(tài)下，Vout1的脈寬是非常窄的；因此可以認為Vfilter≈0。所以比較器2的參考值Vcom2應在[0，deffVf /2]中取值，可以得到

Vcom2=[0+deffVf /2]/2 →Vcom2= deffVf /4

(6)

Vcom3= Vdc /3Kau

(7)

因為當故障發(fā)生在不同的開關(guān)時，Vfifter1和Vfifter2有著不同的電壓水平，為了可以分辨出四個原邊開關(guān)發(fā)生開路故障的類型，兩個閾值，Vcom4和Vcom5應該被分別限制在0

Vcom4=Vf/8

(8)

Vcom5=3Vf/8

(9)

4 仿真分析

在進行了理論分析后，對系統(tǒng)進行仿真分析研究，對系統(tǒng)性能指標及參數(shù)設置等方面進行測試，判斷是否達到預期設計目標，是一個不可或缺的重要步驟。

雙向全橋DC-DC變換器帶有檢測電路1在正常情況下的電路如圖5所示，主電路電感LP=4uh；Cb=4uf；Vdc=150V；變壓器變比為1。當未發(fā)生故障時，左側(cè)半橋移相比為0.5，此時檢測電路1輸出電壓F10為低電平。仿真結(jié)果如圖6所示，可以通過Vpwm11Vpwm12看出移相比為0.5，輸出電壓F10為低電平。

圖5 正常情況下帶有檢測電路1的雙向全橋DC-DC變換器電路圖

圖6 正常情況下帶有檢測電路1的雙向全橋DC-DC變換器仿真結(jié)果圖

雙向全橋DC-DC變換器帶有檢測電路1在故障情況下的電路如圖7所示，其參數(shù)不變。當左側(cè)半橋發(fā)生開路故障時，輸出電壓會急劇變小，經(jīng)過閉環(huán)調(diào)節(jié)，使左側(cè)半橋移相比逐漸變小直到為0。在這個情況下，檢測電路1輸出的電壓為高電平，通過此高電平可以判斷出來左側(cè)半橋發(fā)生了故障。仿真結(jié)果如圖8所示中Vpwm21Vpwm22其移相比為0，輸出電壓F20為高電平。

圖7 故障情況下帶有檢測電路1的雙向全橋DC-DC變換器電路圖

圖8 故障情況下帶有檢測電路1的雙向全橋DC-DC變換器仿真結(jié)果圖

通過檢測電路1可以判斷出是否發(fā)生故障，當檢測出來發(fā)生故障后，通過控制脈沖信號使得移相比恢復到發(fā)生故障之前的0.5。在此種情況下，繼續(xù)通過檢測電路2來確定是左側(cè)半橋中4個開關(guān)管的具體哪個發(fā)生了故障。雙向全橋DC-DC變換器帶有檢測電路2在Q1開關(guān)管開路情況下的電路如圖9所示，其中參數(shù)不變。雙向全橋DC-DC變換器帶有檢測電路2在Q1開關(guān)管開路情況下的仿真結(jié)果如圖10所示，其Vpwm31Vpwm32移相比為0.5，F(xiàn)1=1、F2=0、F3=0、F4=0證明了Q1發(fā)生了開路故障，滿足表1。當Q2、Q3、Q4發(fā)生開路故障時和Q1類似，這里就不再贅述。

圖9 T1開關(guān)管開路下帶有檢測電路2的雙向全橋DC-DC變換器電路圖

圖10 T1開關(guān)管開路下帶有檢測電路2的雙向全橋DC-DC變換器電路圖

5 結(jié)語

本文成功將基于原邊電壓采樣的開路故障診斷方法應用于雙向全橋DC-DC變換器中。文中提出的方案可以檢測出有無開路故障發(fā)生，同時也可以確定發(fā)生開路故障開關(guān)管的準確位置，并且介紹了診斷原理和實施方法，仿真結(jié)果也已經(jīng)證實了此種方法的可行性。為雙向全橋DC-DC變換器的故障診斷提供了一種有效方法，為電力電子電路的故障診斷提供了一種可行方案。

本文只針對雙向全橋DC-DC變換器的其中一側(cè)的，即原邊的電力電子開關(guān)的故障診斷進行了探究，對副邊的四個開關(guān)可能會出現(xiàn)的開路故障并未進行研究和探索。而且所分析的都是對雙向DC-DC變換器發(fā)生開路故障的情況，盡管短路故障的探究現(xiàn)狀態(tài)已有很多成果，本文中尚未體現(xiàn)出來。對變換器的開路故障診斷的研究都是基于非常理想的前提條件之下。研究中存在的不足之處還有待于進行后續(xù)研究進行完善補充。

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(責任編輯：李 麗，范 君)

Research on Fault Diagnosis of DC-DC Converter with Bidirectional Full Bridge

WEN Fei

(Information Center，Hydrology Bureau of Huaihe Water Resources Commission, Bengbu Anhui 233001，China )

According to the principle of the fault diagnosis of bi-directional full-bridge DC-DC converter ，F(xiàn)ault diagnosis method is directed to use a voltage converter as a diagnostic feature in this paper.when any open fault diagnosis occurs in phase-shifted full-bridge DC-DC converter on the primary side of a switch, can produce abnormal state, and in control the system triggers an active phase, at which point you can accurately locate the position of the failure of the switch. The correct and availability of fault diagnosis method is proved by simulation.

bi-directional full-bridge DC-DC converters;fault diagnosis;open-circuit fault;active phase

2015-05-16

聞飛(1985-)，男，安徽蚌埠人，工程師，碩士，研究方向：水文遙測通信和水利電氣技術(shù)。

TM133

A

1672-1098(2016)05-0063-09