ISOP 系統(tǒng)電源模塊故障診斷策略設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)*

程紅麗 ，史金鑫* ，李 勇

(1.西安科技大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710054；2.西安恒為電氣科技有限公司，陜西 西安 710100)

將多個標(biāo)準(zhǔn)功能的電源模塊輸入輸出側(cè)串并聯(lián)，組成多模塊串并聯(lián)組合系統(tǒng)，能夠降低研發(fā)難度、減少成本，同時利于擴(kuò)容和冗余[1]。其中輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)(input series output parallel，ISOP)電源系統(tǒng)能夠承受較高的輸入母線電壓，輸出低壓大電流，能適用于輸入電壓高輸出電流大的場合[2]。由于ISOP 電源系統(tǒng)獨(dú)特的組合方式，一旦電源模塊發(fā)生故障無法及時診斷與處理，剩余模塊將直接受到影響[3]。在實(shí)際應(yīng)用中，由于電源模塊內(nèi)部開關(guān)管等功率器件易發(fā)生故障，導(dǎo)致電源模塊出現(xiàn)開路故障或短路故障[4]。同時，內(nèi)部功率器件故障所引起的電壓、電流應(yīng)力沖擊也會危害電路中其他元件的安全，易造成二次危害。因此需要針對ISOP電源系統(tǒng)中的開路故障與短路故障進(jìn)行故障診斷。

文獻(xiàn)[5－6]通過直接監(jiān)控開關(guān)管來診斷故障，但這種方法在電源內(nèi)部加入的檢測電路，會導(dǎo)致電源模塊工作不穩(wěn)定，降低動態(tài)特性和效率。文獻(xiàn)[7]提出了一種適用于多種模塊化組合系統(tǒng)的故障診斷策略，該策略根據(jù)磁性元件電壓與開關(guān)管驅(qū)動信號的時序特征進(jìn)行故障檢測，可在一個開關(guān)周期內(nèi)診斷故障。但是這種故障診斷策略還是從電源模塊內(nèi)部入手，影響電源模塊本身的穩(wěn)定性。文獻(xiàn)[8]采用輸出電壓微分的方法設(shè)計(jì)了故障診斷策略，與傳統(tǒng)診斷方法相比，具有故障診斷時間短、不使用傳感器和成本低的特點(diǎn)，但是這種方法不適合ISOP 電源系統(tǒng)。

針對以上問題，根據(jù)ISOP 系統(tǒng)電源模塊輸入側(cè)分壓電容在短路故障與斷路故障下充放電速度與變化趨勢不同的原理，提出了一種針對多模塊ISOP電源系統(tǒng)的故障診斷方法。

1 ISOP 系統(tǒng)電路結(jié)構(gòu)及故障類型

兩個電源模塊在輸入側(cè)串聯(lián)輸出側(cè)并聯(lián)組成ISOP 電源系統(tǒng)，如圖1 所示。正常運(yùn)行時，為保證各模塊工作時功率均衡，需要增加控制策略來保證電源模塊輸入側(cè)電壓均壓輸出側(cè)電流均流[9]。正常運(yùn)行時兩個電源模塊平均地分擔(dān)母線電壓，輸入側(cè)分壓電容C1、C2電壓均壓，每個模塊都處于功率相對較低的條件。出現(xiàn)斷路故障時均壓控制失效，故障電源模塊的等效阻抗變得無窮大，導(dǎo)致故障模塊分壓增大，對應(yīng)分壓電容充電電壓上升，由于總輸入電壓恒定，正常模塊分壓電容放電輸入電壓下降。出現(xiàn)短路故障時均壓控制失效，故障模塊的等效阻抗變?yōu)?，導(dǎo)致故障模塊分壓減小對應(yīng)分壓電容放電電壓下降，正常模塊輸入分壓電容充電電壓上升。短路故障相當(dāng)于自行隔離故障模塊，短期內(nèi)不影響電源系統(tǒng)，但是長期運(yùn)行會增加正常模塊電應(yīng)力，增加了故障風(fēng)險。

圖1 ISOP 電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 故障模型與故障診斷

2.1 斷路故障模型

以電源模塊1 出現(xiàn)斷路故障為例，其他模塊出現(xiàn)斷路故障時同理。電源模塊1 斷路故障簡化圖如圖2 所示，為方便計(jì)算將電源模塊1 和電源模塊2分別用等效電阻R1和R2代替(R1＝R2＝R)。C1和C2(C1＝C2＝C)分別是電源模塊1 和電源模塊2 對應(yīng)的分壓電容。

圖2 斷路故障簡化圖

斷路故障時分壓電容電壓VC1和VC2變化示意圖3 所示。

圖3 斷路故障分壓電容電壓變化示意圖

(1)在0～t1時刻:兩電源模塊正常運(yùn)行，在輸入均壓控制策略下，各模塊分壓電容電壓VC1和VC2近似相等，約為輸入電壓的一半:

(2)在t1～t2時刻:t1時刻電源模塊1 出現(xiàn)斷路故障，VC1開始升高，VC2開始下降。假設(shè)在t2時刻VC1增加了ΔV，VC2減少了ΔV。t2時刻電容C1吸收的能量WC1與C2釋放的能量WC2關(guān)系式如下:

輸入能量Win關(guān)系式如下:

電源模塊1 出現(xiàn)斷路故障后，電源模塊2 消耗的功率會隨著C2電壓的下降而變化，電源模塊2 消耗能量WR2為:

根據(jù)能量守恒關(guān)系可得:

結(jié)合式(2)～式(6)可以求出t1～t2時刻區(qū)間時間Δt:

(3)在t2～t3時刻:VC1繼續(xù)上升，VC2繼續(xù)下降，直到t3時刻VC1上升到Vin，VC2下降0，此刻系統(tǒng)完全失控。取ΔV＝1/2Vin，可以計(jì)算出斷路故障發(fā)生到完全失控的時間區(qū)間(t3～t1)，根據(jù)時間區(qū)間求得斷路故障下輸入分壓電容電壓變化的平均速度vcocf:

2.2 短路故障模型

以電源模塊1 出現(xiàn)短路故障為例，其他模塊出現(xiàn)短路故障時同理。電源模塊1 短路故障簡化圖如圖4 所示，為方便計(jì)算將電源模塊1 和電源模塊2分別用等效電阻R1和R2代替(R1＝R2＝R)。C1和C2(C1＝C2＝C)分別是電源模塊1 和電源模塊2 對應(yīng)的分壓電容。短路故障時分壓電容電壓VC1和VC2變化示意圖5 如示。

圖4 短路故障簡化圖

圖5 短路故障分壓電容電壓變化示意圖

(1)在0～t1時刻:兩電源模塊正常運(yùn)行，在輸入均壓控制策略下，各模塊分壓電容電壓VC1和VC2近似相等，約為輸入電壓的一半。

(2)在t1～t2時刻:t1時刻電源模塊1 出現(xiàn)短路故障，VC1快速下降到0，VC2快速上升到Vin。計(jì)算分壓電容C1被短路后放電的時間即可求出t1～t2的區(qū)間時間Δt，其中Resr是分壓電容的等效串聯(lián)電阻[10]，已知R?Resr。電容放電公式如下所示:

設(shè)VC1下降到0.5 V 基本可視為放電完成，則Δt計(jì)算表達(dá)式如下:

根據(jù)時間區(qū)間求得短路故障下輸入分壓電容電壓變化的平均速度vcscf:

將式(8)與(11)的結(jié)果相減，得數(shù)學(xué)表達(dá)式如(13)所示:

對數(shù)學(xué)表達(dá)式(13)求導(dǎo)，求導(dǎo)結(jié)果如式(14)所示，可知式(13)單調(diào)遞減。由式(13)可知f(Vin)＝0時，因此只要滿足，則f(Vin)＞0。滿足該條件下斷路故障分壓電容電壓變化時間要大于短路故障。因?yàn)槌霈F(xiàn)故障時分壓電容電壓變化的幅值相同，于是短路時電壓變化速度大于斷路時電壓變化速度，如式(15)所示。

2.3 故障診斷閾值的設(shè)置

由式(15)可知在滿足一定條件下斷路故障電容電壓的變化速度要遠(yuǎn)小于短路時的速度。同時，故障電源模塊在不同故障下分壓電容電壓變化趨勢也不同。這就為故障類型的判斷與定位提供了依據(jù)。通過檢測各模塊分壓電容電壓變化的速度與變化的方向，就可以實(shí)現(xiàn)故障類型判斷與故障模塊定位。下面以兩模塊ISOP 電源系統(tǒng)為例說明。

因?yàn)椴煌收想娙蓦妷旱淖兓俣炔煌?，通過固定采樣間隔T就可以判斷分壓電容電壓的變化速度。T取值范圍如下式所示:

不同模塊短路故障下分壓電容電壓變化示意圖如圖6 所示(圖6、圖7 時間節(jié)點(diǎn)都相同)。根據(jù)故障診斷速度選擇故障閾值設(shè)定時刻t2(在此時刻設(shè)定判斷故障閾值)。根據(jù)短路故障數(shù)學(xué)模型即可求出t2時刻各分壓電容的電壓VC1與VC2。

圖6 短路故障VC1與VC2示意圖

如圖6(a)所示，t1時刻電源模塊1 出現(xiàn)短路故障，在t2時刻VC2＝Vin，VC1＝0，VC2＞VC1。如圖6(b)所示，t1時刻電源模塊2 出現(xiàn)短路故障，在t2時刻VC1＝Vin，VC2＝0，VC1＞VC2。于是通過對VC1與VC2相減ΔV再減去合適的裕量值V1作為判斷短路故障的閾值VSCF:

以時間間隔T采樣VC1與VC2的電壓并相減，當(dāng)大于VSCF即為電源模塊2 出現(xiàn)短路故障。當(dāng)小于－VSCF即為電源模塊1 出現(xiàn)短路故障。

不同模塊斷路故障下分壓電容電壓變化示意圖7 所示，根據(jù)故障診斷速度選擇故障閾值設(shè)定時刻t2。通過斷路故障時分壓電容電壓變化速度即可求出t2時刻各分壓電容的電壓VC1與VC2。

如圖7(a)所示，t1時刻電源模塊1 出現(xiàn)斷路故障，在t2時刻VC1＞VC2。如圖7(b)所示，t1時刻電源模塊2 出現(xiàn)斷路故障，在t2時刻VC1＜VC2。于是通過對VC1與VC2相減ΔV再加上合適裕量值V1作為判斷斷路故障的閾值VOCF:

圖7 斷路故障VC1與VC2示意圖

以時間間隔T采樣VC1與VC2的電壓值并相減，當(dāng)大于VOCF且小于VSCF即為電源模塊1 出現(xiàn)斷路故障。當(dāng)小于－VOCF且大于－VSCF即為電源模塊2 出現(xiàn)斷路故障。在t2時刻即可進(jìn)行故障判斷及定位，識別時間遠(yuǎn)小于從斷路故障發(fā)生到系統(tǒng)完全失控的時間。

綜上所述，通過設(shè)定固定的電壓采樣時間間隔T，每隔時間T進(jìn)行采樣并計(jì)算VC1與VC2的電壓差值ΔV，通過比較ΔV值來判斷故障類型及定位。以下為故障判斷策略集合:

3 模型仿真與故障診斷方法驗(yàn)證

對系統(tǒng)各部分組成以及關(guān)鍵元件的參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算和設(shè)計(jì)，并在Simulink 環(huán)境下對ISOP 系統(tǒng)不同故障下輸入電容電壓波形進(jìn)行仿真驗(yàn)證，最后完成了硬件制作與調(diào)試。

3.1 故障波形仿真

在Simulink 環(huán)境下對系統(tǒng)不同故障下輸入電容電壓波形進(jìn)行仿真驗(yàn)證，系統(tǒng)的輸入為電壓220 V的交流電，經(jīng)過全橋整流電路后接ISOP 電源系統(tǒng)，輸入電容取值為100 μF，采用兩個10 kΩ 的電阻代替兩個電源模塊。通過斷路或短路電源模塊1 來模擬故障，檢測輸入電容電壓波形，通過仿真驗(yàn)證不同故障的數(shù)學(xué)模型。

圖8 所示為電源模塊1 斷路故障時VC1與VC2的電壓波形仿真圖，從斷路故障發(fā)生到電壓變化基本停止，分壓電容電壓的變化速度與變化趨勢與斷路故障理論推導(dǎo)一致，理論分析正確。

圖8 電源模塊1 斷路故障時VC1與VC2的電壓波形仿真圖

圖9 所示為電源模塊1 短路故障時VC1與VC2的電壓波形。短路故障發(fā)生時分壓電容電壓變化極快，分壓電容電壓的變化速度與變化趨勢與短路故障理論推導(dǎo)一致，理論分析正確。

圖9 電源模塊1 短路故障時VC1與VC2的電壓波形仿真圖

3.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證故障診斷策略設(shè)計(jì)并搭建了基于STM32F103ZET6 的兩模塊ISOP 電源系統(tǒng)，電源模塊采用反激變換器，參數(shù)見表1。

表1 ISOP 系統(tǒng)的基本參數(shù)

電源模塊采用手動控制開關(guān)來模擬斷路故障與短路故障，通過顯示屏顯示故障模塊與故障類型。程序流程圖如圖10 所示。

圖10 故障診斷程序流程圖

實(shí)際取T等于0.01 s，VOCF等于40 V，VSCF等于240 V，當(dāng)故障識別時，顯示屏顯示識別結(jié)果，同時輸出一個高電平作為故障指示信號。由于診斷策略需要根據(jù)各電源模塊輸入電壓相減來判斷故障，這就需要各模塊在正常運(yùn)行時輸入電壓波動范圍小能夠均壓運(yùn)行。本實(shí)驗(yàn)中各電源模塊加入均壓控制策略確保輸入電壓均壓[2]。在各模塊輸入電壓波動不穩(wěn)定的條件下，需要通過增大判斷閾值犧牲故障判斷時間來進(jìn)行設(shè)置。當(dāng)前ISOP 系統(tǒng)為保持各模塊功率均衡，都具有輸入均壓控制環(huán)路，這就為該控制策略提供了良好的前提[11－12]。

圖11 為電源模塊1 斷路故障時分壓電容電壓波形和故障識別信號。斷路故障發(fā)生后相應(yīng)分壓電壓電壓上升。經(jīng)過約0.2 s 故障指示信號即變?yōu)楦唠娖焦收献R別，故障診斷時間遠(yuǎn)小于斷路故障完全失控時間。

圖11 斷路故障示波器波形圖

圖12 為電源模塊1 短路故障時輸入電壓波形和故障識別信號，短路故障發(fā)生后，經(jīng)過約0.25 s 故障指示信號即變?yōu)楦唠娖焦收献R別。

圖12 短路故障示波器波形圖

4 結(jié)論

針對ISOP 組合電源系統(tǒng)提出了一種故障診斷策略。該方法只需采樣各電源模塊輸入側(cè)電壓，在不涉及相應(yīng)模塊的內(nèi)部工作參數(shù)的條件下完成故障診斷，提高了電源模塊的穩(wěn)定性和通用性。對于兩模塊以上的ISOP 系統(tǒng)，理論推導(dǎo)方法與兩模塊相同。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了該故障診斷策略在ISOP 電源系統(tǒng)中的可行性。該故障診斷方法響應(yīng)速度快、故障診斷準(zhǔn)確率高，在模塊輸入電壓穩(wěn)定的情況下故障識別率接近100%。