準(zhǔn)Z 源逆變器中 IGBT 開路故障診斷

吳 越，凌祝軍，葉效鋒

（1. 溫州市鐵路與軌道交通投資集團(tuán)有限公司，浙江溫州 325000；2. 浙江眾合科技股份有限公司， 杭州 310051；3. 浙江大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院，杭州 310027）

準(zhǔn)Z 源逆變器可實(shí)現(xiàn)低壓直流—交流的單級(jí)變換，較之雙級(jí)變換器，其所需的功率開關(guān)器件更少，控制更靈活，故應(yīng)用于軌道交通電力牽引、城軌控制系統(tǒng)、光伏和儲(chǔ)能等工業(yè)場景時(shí)優(yōu)勢較大[1]?？紤]到軌道交通中各電力設(shè)備的可靠性要求與日俱增[2]，為了提高軌道交通中準(zhǔn)Z 源逆變器應(yīng)用時(shí)的可靠性，有必要實(shí)現(xiàn)三相準(zhǔn)Z 源逆變器故障診斷和容錯(cuò)運(yùn)行。

Cecati 等認(rèn)為，逆變器80%的故障是由功率半導(dǎo)體器件失效而引起的，如絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)，而失效的表現(xiàn)形式主要有短路和開路兩種[3]。其中，開路故障可由開關(guān)故障或驅(qū)動(dòng)故障引發(fā)，并導(dǎo)致IGBT 持續(xù)開路，若其長時(shí)間未被檢測到，則系統(tǒng)仍會(huì)帶故障運(yùn)行，會(huì)使逆變器輸出電能質(zhì)量陡降。因此，IGBT 開路故障診斷是逆變器設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵問題之一，而檢測速度、成本、準(zhǔn)確性和負(fù)載條件獨(dú)立性是衡量檢測手段的核心判據(jù)。各類開路故障診斷通常基于電流或電壓采樣分析來實(shí)現(xiàn)，其中基于電流的方法已有諸多文獻(xiàn)進(jìn)行了報(bào)道[4-10]。Lu 等對(duì)一些典型的基于電流信號(hào)分析的IGBT 開路故障診斷方法進(jìn)行了總結(jié)[4]，其中大多數(shù)方案是對(duì)測得的三相電流開展數(shù)學(xué)分析，以辨識(shí)開路故障，無需額外硬件，成本低，但存在速度低、復(fù)雜度高且小負(fù)載下誤診率高的問題[5]。而采用基于電壓的開路故障診斷方案，則速度顯著提高，且誤診率較低，但通常需配置額外的測量硬件，成本和復(fù)雜度較高[6]。此外，還有基于系統(tǒng)模型衍生的觀測器類IGBT開路故障檢測方案[7-8]，以及基于小波分析算法和人工智能算法的開關(guān)器件開路故障診斷策略[9-10]，但其工程實(shí)用性欠佳。

筆者針對(duì)三相準(zhǔn)Z 源逆變器，提出了一種基于電壓的新型IGBT 開路故障診斷技術(shù)。相對(duì)于傳統(tǒng)電流型方案，新方法能在更短的時(shí)間內(nèi)辨識(shí)出IGBT開路故障，較之傳統(tǒng)電壓型方案，無需專門的高速處理器，實(shí)現(xiàn)簡單，且輔助電路成本更低。此外，類似于傳統(tǒng)電壓型方案，新檢測技術(shù)完全獨(dú)立于負(fù)載條件。新型IGBT 開路故障診斷，基于準(zhǔn)Z 源逆變器自身特性，結(jié)合開關(guān)周期內(nèi)觀察直通間隔對(duì)系統(tǒng)變量的影響，可分為故障檢測和定位兩個(gè)階段，完成故障定位后將激活冗余橋臂取代故障橋臂，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)故障容錯(cuò)運(yùn)行。

1 工作原理

圖1 所示為三相準(zhǔn)Z 源逆變器電路。

圖1 三相準(zhǔn)Z 源逆變器電路 Figure 1 Circuit diagram of a three-phase quasi-Z-source inverter

三相準(zhǔn)Z 源逆變器具有以下兩種工作模式：

1) 逆變模式。在此模式下，三相準(zhǔn)Z 源逆變器的運(yùn)行和常規(guī)三相電壓源型逆變器一致，輸入電流iL1保持連續(xù)流過輸入側(cè)二極管D。

2) 直通模式。在此模式下，通過選擇任意一相橋臂直通短路，使二極管D 截止，直流源和電容同時(shí)給電感充電儲(chǔ)能。

由于存在兩種工作模式，準(zhǔn)Z 源逆變器三相橋臂輸入電壓uleg表現(xiàn)為方波，即直通模式下uleg=0，而逆變模式下uleg等于輸入電容電壓之和，有

式中，uC1和uC2分別為電容C1和C2的端電壓。

準(zhǔn)Z 源逆變器的控制器通過控制直通模式的持續(xù)時(shí)間來調(diào)整uC1+uC2的峰值，即

式中，B 為升壓比，Dsh為直通占空比，uB為uleg的峰值，uin為輸入電壓。當(dāng)uin降低時(shí)，Dsh會(huì)被調(diào)整增加，以維持uB的近似恒定。

對(duì)于準(zhǔn)Z 源逆變器的調(diào)制，通常采用直通矢量6段均勻分配的空間矢量調(diào)制(space vector modulation，SVM)，即直通模式持續(xù)時(shí)間劃分為6 個(gè)相等間隔后，插入到常規(guī)SVM 主要矢量持續(xù)時(shí)間之間(見圖2)，圖中的參考矢量位于扇區(qū)A1。其中，Ta和Tb分別為SVM中有效矢量U1和U2的持續(xù)時(shí)間。而Tsha、Tshb和Tshc分別是a、b、c 三相直通矢量的持續(xù)時(shí)間，且有Tsha=Tshb=Tshc=Tsh，T0和T7為零矢量的持續(xù)時(shí)間。圖2中準(zhǔn)Z 源逆變器三相橋臂IGBT 導(dǎo)通和關(guān)斷的轉(zhuǎn)換時(shí)刻Ta+、Tb+、Tc+、Ta-、Tb-和Tc-可計(jì)算為

圖2 6 段式SVM 調(diào)制示意 Figure 2 Schematic of a six-segment SVM modulation

2 故障分析

通常，IGBT 開路故障情況，僅IGBT 保持為開路，其反并聯(lián)二極管仍可實(shí)現(xiàn)電流導(dǎo)通。當(dāng)準(zhǔn)Z 源逆變器出現(xiàn)IGBT 開路故障后，系統(tǒng)的各個(gè)狀態(tài)變量(uC1、uC2、iL1和iL2)和輸出功率中將出現(xiàn)低頻諧波。另外，由于存在IGBT 開路狀態(tài)，將有一相橋臂無法完成直通狀態(tài)，使得uC1+uC2峰值下降，換言之，導(dǎo)致了升壓比B降低。圖3(a)和(b)所示為一相橋臂單個(gè)或2 個(gè)IGBT開路故障下的uC1+uC2典型波形。在這兩種情況下， uC1+uC2峰值均出現(xiàn)下降，同時(shí)每個(gè)開關(guān)周期Ts可觀察到uleg的直通模式間隔數(shù)量從6 個(gè)降低至4 個(gè)。

圖3 典型開路故障下的uC1+uC2 波形 Figure 3 The uC1+uC2 waveform under a typical open-circuit fault

3 故障診斷

如前所述，準(zhǔn)Z 源逆變器的所有橋臂直通狀態(tài)均體現(xiàn)為uleg=0。下面定義NFE為半個(gè)開關(guān)周期Ts內(nèi)，uleg波形中下降沿的數(shù)量，非故障狀態(tài)下NFE=3，而IGBT 存在開路故障時(shí)，由于系統(tǒng)直通狀態(tài)不是由單一橋臂實(shí)現(xiàn)的，故NFE減小為2。

假設(shè)準(zhǔn)Z 源逆變器正常工作，則將tFEi(i=1，2，3)定義為一個(gè)開關(guān)周期Ts內(nèi)直通狀態(tài)開始時(shí)的時(shí)間(見圖4)，具體可計(jì)算如下：

式中，Uref和θ 分別為參考矢量的幅值和相角，n 為扇區(qū)號(hào)。

圖4 中下降沿FE1、FE2和FE3是通過不同的橋臂實(shí)現(xiàn)的，表1 列出了對(duì)應(yīng)SVM 不同扇區(qū)的每個(gè)下降沿的直通相，如第3 扇區(qū)A3中的第2 個(gè)下降沿FE2是通過c 相橋臂直通實(shí)現(xiàn)的。在實(shí)際工程中，與式(4)得到的tFEi計(jì)算值相比，uleg中的下降沿會(huì)略微有延遲，這是由IGBT 關(guān)斷延遲特性所致。

圖4 uleg 波形中下降沿示意 Figure 4 Schematic of the falling-edge moments in the uleg waveform

表1 下降沿、扇區(qū)和故障相對(duì)應(yīng)關(guān)系 Table 1 Relationship between falling edges, sectors, and fault phases

3.1 準(zhǔn)Z 源逆變器下降沿檢測設(shè)計(jì)

為了捕獲下降沿，可利用微控制單元(microcontroller unit，MCU)芯片內(nèi)的“捕獲單元”，專為電力電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)的MCU 通常具有此功能模塊，用于電機(jī)轉(zhuǎn)速或占空比測量，如TI公司的DSP芯片TMS320x28xxx系列。捕獲單元通常包括一個(gè)高帶寬邊沿檢測器，當(dāng)下降沿或上升沿觸發(fā)邊沿檢測器時(shí)，可將DSP 芯片中的定時(shí)器值保存到捕獲寄存器，同時(shí)還可利用捕獲寄存器得到獲取多邊沿時(shí)序。在本研究的后續(xù)實(shí)驗(yàn)測試中，使用的DSP 芯片TMS320F2808 包含有4 個(gè)捕獲寄存器CAP1～CAP4，通過每次觸發(fā)，可將定時(shí)器值順序保存在這些寄存器中。

為了實(shí)現(xiàn)下降沿檢測，應(yīng)首先將uleg數(shù)字化，圖5為下降沿檢測電路。首先利用電阻分壓器將uleg縮小，并通過數(shù)字比較器將其與恒定電壓值Ucm比較，其中電阻分壓器的增益Krd設(shè)計(jì)為

通過式(6)的縮小配置，比較器輸入端Krduleg的峰值在3 V內(nèi)；考慮IGBT關(guān)斷延遲后將Ucm設(shè)置為1.5 V，比較器輸出ucap被直接送至捕獲單元。

圖5 下降沿檢測電路 Figure 5 Falling-edge detection circuit

下降沿觸發(fā)捕獲器后，將檢測到的下降沿時(shí)間點(diǎn)tcapj(正常運(yùn)行時(shí)j=1, 2, 3，開路故障時(shí)j=1, 2)保存到捕獲寄存器CAPj。由于存在系統(tǒng)延遲，檢測到的tcapj不完全等于實(shí)際下降沿時(shí)刻tFEi，故對(duì)于每個(gè)tcapj，應(yīng)考慮延遲裕度td后，才可視為準(zhǔn)確的下降沿檢測。td可根據(jù)IGBT 的典型關(guān)斷時(shí)間toff設(shè)置，查閱搭建實(shí)驗(yàn)測試所使用IGBT 的數(shù)據(jù)手冊(cè)，可得toff≈0.8 μs，那么考慮將其乘以2.5 得td=2 μs。如果tcapj與tFEi之差小于2 μs，則確認(rèn)為檢測到下降沿。

3.2 IGBT 開路故障診斷算法

筆者所設(shè)計(jì)的IGBT 開路故障診斷算法基于檢查uleg中的直通間隔實(shí)現(xiàn)，同時(shí)uleg中缺失的直通間隔可用于定位存在開路故障的橋臂。與傳統(tǒng)逆變器IGBT開路故障診斷算法相比，所設(shè)計(jì)的方法具有快速、經(jīng)濟(jì)和高效的優(yōu)勢。新方案可在幾個(gè)開關(guān)周期內(nèi)檢測出開路故障，且無需借助快速運(yùn)算處理器或高速測量。此外，IGBT 開路故障檢測不依賴于準(zhǔn)Z 源逆變器的負(fù)載條件。

新型準(zhǔn)Z 源逆變器IGBT 開路故障診斷算法的實(shí)施可分為兩個(gè)階段：第一步是確定IGBT 存在開路故障，第二步則是DSP 處理保存在寄存器中的數(shù)據(jù)，以辨識(shí)故障相，對(duì)IGBT 開路故障定位。

在每個(gè)Ts內(nèi)，檢查NFE是否為3，若連續(xù)3 個(gè)Ts內(nèi)都是NFE＜3，則DSP 開始對(duì)IGBT 開路故障診斷，第一階段完成。為了規(guī)避噪聲和干擾的影響，在算法的第一階段定義了2 個(gè)二進(jìn)制變量PF 和DF，分別表示“可能故障”和“故障確認(rèn)”狀態(tài)。若3 個(gè)連續(xù)的Ts中重復(fù)檢測到故障，則將PF 置位，然后在接下來的5 個(gè)Ts中檢查NFE，并保存tcapj和tFEi值至寄存器。在這5 個(gè)Ts中，對(duì)開路故障再次確認(rèn)，即至少在5 個(gè)Ts中確認(rèn)有3 個(gè)Ts是存在NFE＜3 的，則將DF 置位。換言之，系統(tǒng)開路故障的確認(rèn)是通過DF 置位宣布的，然后才進(jìn)入到診斷算法的第二階段。PF 和DF 置位的Ts數(shù)量，是根據(jù)實(shí)際測試中所需的檢測速度和準(zhǔn)確性來配置的。

由式(4)、(5)計(jì)算tFE1、tFE2和tFE3，若存在開路故障，則僅從CAP1和CAP2寄存器檢索tcap1和tcap2、tFei及tcapj之間的差值可計(jì)算如下：

式中，tei,j為不同tFEi和tcapj間的差值。

當(dāng)te1,1＞td，可判斷缺失的下降沿為FE1；當(dāng)te2,1＞td且te2,2＞td，可判斷缺失的下降沿為FE2；當(dāng)te3,2＞td，可判斷缺失的下降沿為 FE3。進(jìn)一步，由下降沿信息結(jié)合開關(guān)周期對(duì)應(yīng)扇區(qū)代入表1，即可定位故障相。

在準(zhǔn)Z 源逆變器完成IGBT 開路故障診斷后，將故障相橋臂禁用，然后通過可控硅開關(guān)將冗余橋臂啟用，實(shí)現(xiàn)故障容錯(cuò)運(yùn)行(見圖6)。由于開路故障診斷算法可定位故障橋臂，無法定位橋臂中上下管故障，故結(jié)合使用冗余橋臂，完成準(zhǔn)Z 源逆變器的故障容錯(cuò)運(yùn)行。

圖6 含冗余橋臂的三相準(zhǔn)Z 源逆變器拓?fù)?Figure 6 Three-phase quasi-Z source inverter topology with redundant leg

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證所提出的三相準(zhǔn)Z 源逆變器IGBT 開路故障診斷算法，搭建了低壓準(zhǔn)Z 源逆變器測試平臺(tái)，并開展了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù)如表2 所示。其中，IGBT 選用600V/15A 模塊FSBS15CH60，逆變器輸入為恒壓直流源，其可在交流側(cè)提供1.2 kW 的功率。通過調(diào)整直流狀態(tài)持續(xù)時(shí)間，在輸入電壓變化時(shí)，uC1+uC2峰值保持恒定，約等于380 V?？刂破骰赥I 公司的DSP 芯片(TMS320F2808)實(shí)現(xiàn)，包含有PWM 模塊和捕獲單元，其中捕獲單元接口電路主要包括電阻分壓器、作為限壓器的齊納二極管和一個(gè)比較器(LM311)。

表2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)參數(shù) Table 2 Parameters of the experimental system

圖7 為準(zhǔn)Z 源逆變器正常工況和IGBT 開路故障下的ia、ib和ic波形。其中，圖7(a)中的對(duì)稱三相電流有效值為3.5 A，圖7(b)表明Sau開路故障后ia仍存在半波，而圖7(c)則對(duì)應(yīng)a 相橋臂上下管均故障時(shí)的電流波形(ia=0)。

圖8 為準(zhǔn)Z 源逆變器正常工況和IGBT 開路故障下測得的uleg和ucap波形。其中，開路故障時(shí)系統(tǒng)直通狀態(tài)減少，uleg的峰值受到影響。這從圖9 中的uC1+uC2波形也可看出，電容電壓下降是由于直通持續(xù)時(shí)間減少所致，但ucap的峰值保持了5 V 恒定，有利于故障診斷。

圖10 為a 相上管Sau開路故障和整相橋臂開路故障時(shí)的PF 和DF 信號(hào)波形。其中，開路故障發(fā)生后經(jīng)3 個(gè)Ts，PF 便會(huì)置位，再經(jīng)幾個(gè)Ts后，DF 進(jìn)一步置位。 DF 置位后則確認(rèn)開路故障，算法進(jìn)入到第二階段。表3所示為對(duì)應(yīng)圖10(a)的故障診斷算法第二階段使用的數(shù)據(jù)，其中tcapj值是根據(jù)寄存器CAPj存儲(chǔ)值計(jì)算的，有

圖7 準(zhǔn)Z 源逆變器輸出電流波形 Figure 7 Output current waveform of the quasi-Z-source inverter

圖8 uleg 和ucap 波形 Figure 8 Waveform of the uleg and ucap

圖9 uC1+uC2 波形 Figure 9 Waveform of the uC1+uC2

圖10 PF 和DF 信號(hào)波形 Figure 10 Waveform of the PF and DF signals

式中，PRD 是DSP 定時(shí)器周期。

表3 中，下降沿時(shí)間計(jì)算值與檢測到的實(shí)際時(shí)間只差約1μs。然后，根據(jù)tei,j和td的關(guān)系，以及表3，可得出未檢測到下降沿FE1的結(jié)論，結(jié)合扇區(qū)號(hào)和表2，可定位為a 相存在單管或雙管開路故障中。系統(tǒng)完成診斷算法后，通過控制可控硅開關(guān)，禁用故障a 相橋臂，并同時(shí)激活冗余橋臂，完成故障容錯(cuò)運(yùn)行。圖11 為準(zhǔn)Z 源逆變器故障容錯(cuò)運(yùn)行的輸出電流波形，其中包含單管或雙管兩類開路故障，以及滿載和30%輕載工況。不同負(fù)載下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證，故障診斷算法對(duì)負(fù)載條件具有獨(dú)立性。

表3 下降沿捕獲實(shí)測數(shù)據(jù) Table 3 Measured data of the captured falling edge

圖11 故障容錯(cuò)運(yùn)行輸出電流波形 Figure 11 Output current waveform during a fault-tolerant operation

5 結(jié)語

圍繞實(shí)現(xiàn)三相準(zhǔn)Z 源逆變器的故障容錯(cuò)運(yùn)行，提出了一種新穎、快速且具有成本效益的IGBT 開路故障診斷方法。該診斷算法基于對(duì)直通狀態(tài)監(jiān)測實(shí)現(xiàn)，與負(fù)載條件無關(guān)，且無需專門的高速處理器，僅在系統(tǒng)中添加了低成本比較器電路即可。IGBT 開路故障診斷算法分為兩個(gè)階段實(shí)施，第一階段對(duì)故障確認(rèn)，第二階段通過對(duì)DSP 寄存器值進(jìn)行簡單計(jì)算，可完成故障相定位。實(shí)測結(jié)果表明，在不到10 個(gè)的開關(guān)周期內(nèi)，診斷算法既可完成故障檢測和定位，同時(shí)冗余橋臂也被激活，從而完成三相準(zhǔn)Z 源逆變器故障容錯(cuò)運(yùn)行。