基于電感電流的雙有源橋DC/DC變換器的開路故障診斷

張龍港，康勁松，郭其一

(1.同濟大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，上海 201804；2.同濟大學(xué) 鐵道與城市軌道交通研究院，上海 201804)

傳統(tǒng)列車牽引單元中常使用工頻變壓器來實現(xiàn)電壓匹配和電氣隔離[1]，由于其體積大、質(zhì)量大，極大地限制了高速鐵路輕量化發(fā)展。電力電子變壓器(PET)結(jié)合了電力電子元器件和高頻變壓器，相較于傳統(tǒng)的牽引變壓器，其尺寸小、質(zhì)量輕，且可實現(xiàn)功率流動控制、電能質(zhì)量調(diào)節(jié)、隔離諧波和電壓波動等功能。為了提高功率等級及功率密度，基于PET的列車車載牽引傳動系統(tǒng)通常為級聯(lián)結(jié)構(gòu)，圖1給出了應(yīng)用最廣泛的該系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)原理框圖，主要包括級聯(lián)H橋脈沖整流器、帶中-高頻變壓器的雙有源橋(DAB)DC/DC變換器以及三相逆變器[2]。

PET組成結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且運行環(huán)境較為惡劣，極易發(fā)生故障，變流器中最薄弱的環(huán)節(jié)為功率器件，其相關(guān)部件故障率超過了60%[3]。DAB作為PET的中間回路，其中的IGBT模塊占比最大，且在電氣隔離、效率優(yōu)化等方面都起著不可替代的作用，因此研究IGBT模塊快速故障診斷技術(shù)具有現(xiàn)實意義。IGBT模塊作為DAB中的核心器件，故障形式分為開路故障和短路故障。在IGBT模塊的驅(qū)動電路中往往都集成了硬件電路以防止短路故障，但這并不能對開路故障進行保護，開路故障雖不會導(dǎo)致系統(tǒng)立即崩潰，但會造成電流失真、電壓波動、系統(tǒng)效率降低的情況。因此，對DAB的IGBT模塊進行開路故障診斷十分重要。

文獻[4]和文獻[5]通過提取系統(tǒng)的電壓、電流特征來進行故障診斷，但其物理意義不夠明確，且需大量樣本進行訓(xùn)練，診斷速度較慢；文獻[6]提出一種可靠性較高的IGBT開路故障定位方法，但對于系統(tǒng)控制方法的影響考慮不足；文獻[7]以級聯(lián)型PET為基礎(chǔ)，提出了不同類型開路故障的定位方法，所提方法較為快速、準確，但也較為復(fù)雜；文獻[8]提出了一種基于模型的四象限脈沖整流器IGBT模塊開路故障在線診斷方法，這種方法簡單迅速，可靠性高。

本文在文獻[8]基礎(chǔ)上，以圖1中單個模塊的DAB為研究對象，在全面考慮控制、電壓電流的條件下，結(jié)合DAB控制信號及其連續(xù)狀態(tài)變量建立精確動態(tài)數(shù)學(xué)模型，并以此為基礎(chǔ)構(gòu)建電感電流狀態(tài)估計器；在對實測電感電流值與估計值狀態(tài)殘差變化情況進行分析后，通過注入不同的脈沖實現(xiàn)故障定位；最后通過仿真驗證所建立數(shù)學(xué)模型及故障診斷、定位方法的正確性和有效性。

1 雙有源橋DC/DC變換器基本工作原理

DAB電路拓撲結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。由圖2可以看出，DAB在結(jié)構(gòu)上是對稱的，因此可以實現(xiàn)功率的雙向流動。

U1.變換器的輸入電壓；C1.變換器輸入側(cè)濾波電容；L.變壓器漏感及外加串聯(lián)電感之和；iL.電感電流；k.變壓器變比；C2.變換器輸出側(cè)濾波電容；RL.變換器輸出側(cè)等效電阻；U2.變換器的輸出電壓；UAB和UCD.原副邊H橋輸出電壓；S1～S8.IGBT；D1～D8.二極管。

一般來講，DAB有2種基本的控制方法：脈寬調(diào)制控制和移相控制。移相控制相對于脈寬調(diào)制控制更為簡單且易實現(xiàn)，因此，DAB大多數(shù)工作在移相控制方式下完成。以單移相控制方式為例，當DAB正常工作時，原副邊H橋的每個橋臂上的IGBT均為180°互補導(dǎo)通，且處于對角位置的IGBT會同時開通或關(guān)斷，原副邊H橋?qū)⒎謩e輸出占空比為50%的方波電壓UAB和UCD。通過調(diào)節(jié)UAB與UCD之間的移相占空比大小，就可以實現(xiàn)傳輸功率大小及方向的改變。當移相占空比大于0時，即UAB的相位超前于UCD時，功率將會正向傳輸；反之，功率反向傳輸。DAB的傳輸功率隨著移相占空比的增大而增大[9]。

圖3為單移相控制方式下變換器的電壓電流波形圖。圖3中，在D=0.5時，傳輸功率達到最大，因此DAB通常工作在D∈[0,0.5]的范圍內(nèi)。在各個工作階段中電流流經(jīng)的IGBT、二極管如表1所示。當DAB發(fā)生開路故障時，各個工作階段的電路拓撲結(jié)構(gòu)將會發(fā)生變化，表1中的流經(jīng)路徑會發(fā)生變化，變換器的電壓及電流波形也會發(fā)生改變。在單移相控制方式下，同一橋臂的不同IGBT和二極管的故障表現(xiàn)呈相反的狀態(tài)，而處于對角位置的IGBT和二極管的故障表現(xiàn)則是相同的。

圖3 單移相控制方式下變換器的電壓電流波形圖

表1 不同工作階段電流流經(jīng)路徑

2 DAB建模與故障分析

DAB在未發(fā)生故障時，等效電路如圖4所示。

圖4 DAB未發(fā)生故障時等效電路圖

根據(jù)基爾霍夫電壓定律，可得：

UAB=kUCD+uL+riL

(1)

其中：

(2)

定義理想開關(guān)函數(shù)QA、QB、QC、QD為：

(3)

結(jié)合圖3中IGBT的開關(guān)狀態(tài)，原副邊H橋輸出電壓可由變換器的輸入、輸出電壓U1和U2表示：

{
UAB=U1(QA-QB)
UCD=U2(QC-QD)

(4)

將式(2)和式(4)帶入式(1)中，得DAB的數(shù)學(xué)模型為：

(5)

由于DAB的等效變壓器繞組電阻較小，在對DAB的運行狀態(tài)進行分析時可忽略式(5)中的riL項。

在DAB實際運行過程中，IGBT和二極管都有可能發(fā)生故障，且不同的開路故障可能具有不同的故障特征，同時也會導(dǎo)致不同的后果。由圖2可知，DAB的電路拓撲是原副邊H橋相互對稱的結(jié)構(gòu)，因此，原邊H橋和副邊H橋的IGBT和二極管在發(fā)生開路故障時具有相似的故障情況及特征。本文將主要針對DAB原邊H橋IGBT和二極管發(fā)生開路故障時的情況進行研究。

2.1 IGBT開路故障

假設(shè)S1發(fā)生開路故障，根據(jù)S1發(fā)生故障時刻的不同，可將所有故障情況分為3種：

(1) 故障時S1處于未導(dǎo)通狀態(tài)。表1中，在這種情況下，S1發(fā)生故障的時刻為t0～t1或t3～t6之間，直到S1將要導(dǎo)通時，即表1中的t1時刻，才會有故障現(xiàn)象開始出現(xiàn)。此時，iL將正向增大，由于S1開路，電路拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，iL將流經(jīng)S4、D2，等效電路圖如圖5所示。

圖5 故障暫態(tài)等效電路圖

綜上，當S1發(fā)生開路故障時，不同的故障時刻會帶來相同的穩(wěn)態(tài)波形，最終進入穩(wěn)態(tài)時，始終滿足iL≤0，如圖6所示。S4開路故障時的現(xiàn)象與S1相同。

圖6 S1開路故障時電感電流仿真波形

S2與S3發(fā)生開路故障時的現(xiàn)象相同，且與S1的故障特征相反，在最終進入穩(wěn)態(tài)時，始終滿足iL≥0，如圖7所示，故障分析過程與S1開路故障類似，不再贅述。

圖7 S2開路故障時電感電流仿真波形

圖6以及圖7的仿真中所用到的DAB的參數(shù)如表2所示。

表2 DAB相關(guān)參數(shù)

2.2 反并聯(lián)二極管開路故障

同樣，假設(shè)二極管D1發(fā)生開路故障，此時在正常情況下流經(jīng)D1的電流將會失去流通回路。如圖8所示，由于電感電流不能突變，則電感L兩端的電壓將急劇上升，同時將導(dǎo)致原邊H橋輸出電壓UAB急劇上升，能在極短時間內(nèi)達到13 000 V，遠遠超過IGBT模塊的耐壓值。

圖8 D1開路故障時UAB仿真波形

同理，其余的二極管發(fā)生開路故障時，將產(chǎn)生相同的結(jié)果。因此，反并聯(lián)二極管發(fā)生開路故障時，將在短時間內(nèi)使DAB發(fā)生過壓故障。

目前，IGBT模塊的驅(qū)動電路中，往往都集成了短路以及過壓等保護電路，反并聯(lián)二極管發(fā)生開路故障時將觸發(fā)過壓保護電路工作。因此后續(xù)本文將不再研究二極管開路故障的診斷方法。

3 DAB開路故障診斷方法

當DAB中IGBT發(fā)生開路故障時，變換器中的一部分甚至于全部變量將呈現(xiàn)出與未發(fā)生故障時狀態(tài)的不同現(xiàn)象。基于電感電流的DAB開路故障診斷方法的基本思路是通過分析實際系統(tǒng)與所建立DAB數(shù)學(xué)模型比較所產(chǎn)生的系統(tǒng)電感電流狀態(tài)殘差來進行故障診斷。當DAB處于正常工作狀態(tài)時，系統(tǒng)電感電流狀態(tài)殘差值約等于0；當DAB發(fā)生開路故障時，系統(tǒng)電感電流狀態(tài)殘差的幅值將顯著增大，偏離零點位置。因此，通過檢測系統(tǒng)電感電流狀態(tài)殘差可達到故障診斷的目的。本文將主要針對DAB變換器原邊H橋的IGBT管發(fā)生開路故障時的診斷方法進行研究。

3.1 基于電感電流的DAB開路故障診斷方法原理

由式(5)中DAB的數(shù)學(xué)模型可知，變換器的狀態(tài)由理想開關(guān)函數(shù)、輸入輸出電壓以及電感電流共同決定。對式(5)進行改寫，可得到DAB的電感電流數(shù)學(xué)模型為：

(6)

引入輔助邏輯變量γ1、γ2為：

(7)

(8)

考慮到系統(tǒng)在實際運行過程時的采樣頻率，需對式(8)做出改進。采用前向歐拉法對式(8)進行離散化后，可得改進后的公式為：

(9)

式中：T——實際系統(tǒng)的采樣時間；

n——系統(tǒng)的采樣時刻點。

圖9 DAB原邊H橋的IGBT開路故障診斷原理圖

3.2 基于電感電流的DAB開路故障診斷方法實現(xiàn)

3.2.1 故障判定及閾值選擇

對于實際系統(tǒng)以及所構(gòu)建的狀態(tài)估計器，由于存在各種各樣不可避免的誤差所帶來的影響，將導(dǎo)致DAB在正常工作情況下的電感電流狀態(tài)殘差值不為0，會在一個較小的數(shù)值區(qū)間內(nèi)波動。在進行故障診斷時，為了消除誤差帶來的影響，首先需要將故障狀態(tài)下狀態(tài)殘差絕對值與設(shè)定的閾值進行比較，當大于閾值時，認定故障開始發(fā)生。為了減小錯誤診斷發(fā)生的概率，將從狀態(tài)殘差絕對值大于設(shè)定閾值的時刻起，持續(xù)檢測1個周期，若在1個周期內(nèi)狀態(tài)殘差絕對值大于設(shè)定閾值的條件始終成立，則確定有故障存在。

通過對故障情況的分析以及圖6、圖7中DAB正常狀態(tài)與不同故障情況下電感電流的對比，可得狀態(tài)殘差絕對值最大值為電感電流最大值，即狀態(tài)殘差絕對值最大值為：

(10)

將表2中DAB的相關(guān)參數(shù)帶入式(10)中進行計算，可知DAB運行在額定狀態(tài)下時的狀態(tài)殘差幅值最大值為78.125 A，為了達到快速診斷及減少誤診斷的目的，取狀態(tài)殘差閾值為25 A。當DAB運行在非額定狀態(tài)時，可根據(jù)相應(yīng)的最大電感電流值來選取合適的狀態(tài)殘差閾值。

3.2.2 故障定位

由前文對故障情況的分析可知，處于對角位置的IGBT的故障現(xiàn)象及特征相同，無法直接通過狀態(tài)殘差值的符號來定位故障IGBT的位置。

為了區(qū)分S1和S4故障，在判斷出有IGBT發(fā)生故障后，且狀態(tài)殘差值小于0時，診斷器對原邊H橋發(fā)出脈沖1000，若此時故障IGBT為S1，則發(fā)出脈沖一段時間后，狀態(tài)殘差值隨著實際電感電流增大到0并持續(xù)增大，再回歸為0，之后實際電感電流始終為0；若此時故障IGBT為S4，則發(fā)出脈沖一段時間后，狀態(tài)殘差值會先隨著實際電感電流增大而變化為0，然后在副邊S6和S7開通時，實際電感電流流通回路為S1和D3，變化趨勢為先增大后減小，狀態(tài)殘差值在這個過程中也會呈現(xiàn)相同的趨勢。區(qū)分S2和S3的故障思路與上述相同，此時發(fā)出脈沖變?yōu)?100。因此，在判斷出狀態(tài)殘差值符號(狀態(tài)殘差正負值)的前提下，通過發(fā)送不同的脈沖，便可以準確地定位故障IGBT位置。

4 仿真結(jié)果分析

為了驗證所采用的基于電感電流的DAB的開路故障診斷方法的準確性與有效性，本文采用MATLAB/Simulink針對DAB搭建了仿真模型，使其工作在額定狀態(tài)下的主要參數(shù)如表2所示。

圖10給出了DAB無故障條件下實際電感電流和估計電流以及狀態(tài)殘差波形。由圖10可以看出，在未發(fā)生故障時，實際電感電流和估計電流基本一致，狀態(tài)殘差在一個很小的區(qū)間內(nèi)波動，波動幅值在3 A以內(nèi)，驗證了所建立DAB數(shù)學(xué)模型的準確性。

圖10 DAB無故障條件下實際電感電流和估計電流以及狀態(tài)殘差波形

圖11 S1開路故障診斷仿真結(jié)果

圖12 S2開路故障診斷仿真結(jié)果

圖13 S3開路故障診斷仿真結(jié)果

圖14 S4開路故障診斷仿真結(jié)果

由圖11～圖14可見，設(shè)置故障發(fā)生時刻為tt0，到tt1時刻開始出現(xiàn)故障現(xiàn)象。tt1時刻之前，狀態(tài)殘差值接近于0，小于設(shè)定閾值；tt1時刻之后，狀態(tài)殘差幅值增大，且S1和S4故障時，狀態(tài)殘差值反向增大；S2和S3故障時，狀態(tài)殘差值正向增大。在tt2時刻，系統(tǒng)狀態(tài)殘差幅值開始大于設(shè)定的閾值，為防止誤診斷，對其持續(xù)檢測1個周期。由仿真結(jié)果可知，在1個周期內(nèi)，狀態(tài)殘差幅值始終大于設(shè)定閾值，此時故障判定標志F發(fā)生跳變，認定有故障存在，同時，為了對故障IGBT位置進行定位，診斷器將在tt3時刻發(fā)出故障定位脈沖。若狀態(tài)殘差值小于0，將對原邊發(fā)出脈沖1000；若狀態(tài)殘差值大于0，將對原邊發(fā)出脈沖0100。根據(jù)狀態(tài)殘差符號及其變化趨勢的不同，將引起不同的故障定位標志發(fā)生跳變，從而定位故障的位置。在準確的定位故障IGBT位置后，診斷器將在tt4時刻發(fā)出關(guān)斷信號，以免故障擴散，引起更嚴重的后果。

5 結(jié)束語

本文研究了一種基于電感電流的雙有源橋DC/DC變換器IGBT開路故障診斷方法。通過對實測電流值與估計值狀態(tài)殘差的分析，能在短時間內(nèi)實現(xiàn)DAB中 IGBT開路故障診斷及定位。該方法簡單有效，診斷速度快，計算量小，從故障發(fā)生到精確定位故障僅需要2-3個周期的時間。經(jīng)仿真結(jié)果驗證，該方法具有準確性和有效性。