一种PWM整流器IGBT开路故障诊断方法

（天津理工大学天津市复杂系统控制理论及应用重点实验室，天津 300384）

1 引言

作为电力电子装置中能量变换的主体部分，整流电路易受到电磁环境的影响而发生损坏，会在功率器件上产生潜在的故障［1］。功率器件的短路故障已有成熟的方案，即通过硬件电路检测IGBT的D-S压降，可以准确判别故障管［2］。而IGBT的开路故障，一方面是由于过流烧毁，导致开路；另一方面是由于接线不良、驱动断线等原因导致的驱动信号开路。开路故障发生后往往整流系统还能够继续运行，由于其通常情况下不会引发大幅过电流或过电压、欠电压现象，所以不易被发现，但其危害较大，易发生过流故障。因此需要对其进行故障诊断，并使用诊断的结果去触发保护动作、实现故障的隔离［3-5］。

在功率器件开路故障诊断方法上，主要有电流检测法和电压检测法两类。电压检测法［6］通过考察变频器故障时电机相电压、线电压或中性点电压与正常时的偏差来诊断故障。只需要四分之一基波周期便能检测出故障，大大缩短了诊断时间。电流检测法最为常用，其又派生出平均电流Park矢量法［7-8］、单电流传感器法［9］和电流斜率法［10］等。

综上所述，本文从比较整流器在正常和故障工作模式下不同的工作特征出发，分析功率器件门极信号和三相交流侧线电压的不同组合关系，来建立故障特征向量，继而提出一种PWM整流器功率器件故障诊断策略，以此来达到故障器件定位的目的。

2 整流器正常工作模式分析

本文以三相电压型PWM整流器为研究对象，图1为整流器拓扑结构。

图1 三相电压型PWM整流电路拓扑结构Fig.1 Topology of three-phase voltage source PWM rectifier

图2 不同相电流方向下的4种开关模式的线电压等级Fig.2 The four switching mode of line voltage level under different phase current

表1 正常工作方式下的开关模式和线电压Tab.1 The switch mode and line voltage under normal mode

如图1所示，三相PWM整流器包含3个整流桥臂（A，B，C），每个桥臂由2个功率器件IGBT（VTi，i=1，2，3，…，6）及与其反并联的续流二极管（VDi，i=1，2，3，…，6）组成。整流桥臂由二值门极信号（Si，i=1，2，3，…，6）控制功率器件的通断，当Si=1时，IGBT导通，而Si=0时，IGBT关断。为便于说明，只考虑2个桥臂的工作情况。

在整流器正常工作时，研究A，B 2个桥臂的电流流通情况和线电压关系。由于单个桥臂中2个功率开关管工作在互补的方式下，所以只需考虑门极信号S1和S3，因此2个桥臂共有4种开关模式，又由于相电流ia，ib的流向，故每个桥臂共有16种工作模式。在不考虑死区时间的情况下，通过不同的开关组合可以在整流器的交流侧上产生3种线电压等级（+Vdc，0，-Vdc）。为了便于说明，这里只绘出其中4种典型的工作模式，如图2所示，电流方向以流入整流桥臂为正。表1所示为16种工作模式下的线电压等级。

可以明显的看出，在整流器正常工作时，无论相电流方向如何，一种开关组合只对应一个线电压值。

3 整流器故障工作特征

3.1 故障行为特征

3.1.1 VT1管开路时的故障特征

当VT1管开路时，其主要故障特征集中在相电流ia＜0的半个周期内，以ia＜0，ib≥0的时间段为例，其故障状态下的两桥臂工作模式见图3。

图3 当ia＜0，ib≥0时VT1开路故障工作模式Fig.3 VT1open-circuit fault mode，when ia＜0，ib≥0

图3中黑体所示为施加驱动信号的功率开关管，粗实线器件为电流流过的通道，坐标轴虚线部分为正常工作情况下的线电压。由图3可知，在t1和t2时刻内由于VT1出现开路故障，电流不能通过VT1流向交流侧，只能通过二极管VD2进行续流，这样使得结点A通过VD2接到了直流侧负极上，则t1时刻内S1=1，S3=1，VT3导通时，结点B通过VD3接到了直流侧正极，此时线电压由原来的 uab=0 变为 uab=-Vdc；t2时刻内 S1=1，S3=0，VT4导通时，节点B通过VT4接到了直流侧负极，线电压由uab=Vdc变为uab=0。与正常工作情况相异，且当ia＜0，ib＜0的时候分析情况类似，结果也相同。

3.1.2 VT4管开路时的故障特征

与分析VT1类似，当VT4管出现开路故障时，ib流入B相桥臂才会在相电流上出现畸变波形。以ia≥0，ib≥0的情况为例，来说明VT4出现开路故障时的工作方式。如图4所示，当相电流ib流入B相桥臂时，由于VT4管的缺失，使ib不能通过VT4流向直流侧负极，则B结点只能通过VD3与直流侧的正极相连。所以在t1时间段内，开关信号 S1=1，S3=0时 uab=0或在 t2时刻，S1=0，S3=0时uab=-Vdc，都与正常工作情况下的uab出现偏差。在ia＜0，ib≥0时与上述分析类似，结果也一样。

图4 ia≥0，ib≥0时VT4开路故障工作模式Fig.4 VT4open-circuit fault mode，when ia≥0，ib≥0

3.2 故障特征建立

相同的方法可以用于对VT2，VT3发生开路时的故障分析，由此可以得出各管发生开路故障时的故障特征，如表2所示。

其中空白格表示该功率器件没有参与该相电流在相应的电流半周内的流通，“—”表示该IGBT没有导通（即Si=0），这两种情况下由于开关管并没有工作，所以其发生故障后对于整个系统是没有影响的，所以不再列举。

从表2可以看出每个管的故障可以用唯一的门极信号和线电压关系来表示，互不冲突。以VT1管故障为例，在门极信号相同的情况下，uab由0变为-Vdc或者是由+Vdc变为0，因此可以用S1=1，S3=1并且uab=-Vdc或者是S1=1，S3=0并且uab=0唯一的代表VT1管的故障。由此可以建立以门极信号和线电压的组合在整流器正常工作和故障工作情况下的不同变化来作为单管开路故障的故障特征向量，从而提出一种故障诊断的方法。从表3中选取4组比较典型的信号组合来代表每个管发生单管开路故障时的故障特征向量。

表2 各管发生单管开路故障时的故障特征Tab.2 Single-open circuit fault feature in each tube

故障特征向量建立如表3所示，表3中Ti（i=1，2）代表线电压uab的变化信号：当uab由0变为-Vdc时T1=1，否则T1=0；当uab由0变为+Vdc时T2=1，否则T2=0。为了简化诊断电路，对于每个管的故障特征向量只选取了一种组合来代表其故障信号。

表3 各管开路故障时的故障特征向量Tab.3 Fault feature vector of each tube during open-circuit fault

通过故障特征向量表得出故障检测信号可以用下式描述：

式中：FTi（i=1，2，3，4）为第i管故障信号。

3.3 故障诊断拓扑结构

通过上述的分析，若一个开关管发生开路故障时，只要采集到门极信号和对应线电压的变化信号Ti（i=1，2）就能实现故障诊断和定位。由故障特征向量表3和式（1）～式（4）可以得到诊断拓扑结构如图5所示。

图5 故障诊断电路拓扑结构Fig.5 Topology of fault diagnosis circuit

该诊断电路包括3个部分：信号采集、比较环节、故障信号生成。信号采集包括两个方面的采集：一个是线电压uab的采集，从上述分析可知采集到的线电压只有3个值：+Vdc，0，-Vdc；另一个是门极信号S1和S3的采集，若采集到的是S1=0，S3=0的信号，则需通过反相器生成的信号再输入比较环节中去。比较环节由2个比较器组成：Comp-1和Comp-2。比较器Comp-1是用于检测VT1和VT4的故障，将采集到的线电压信号uab与一负值门槛电压-Vth进行比较，如果发现uab小于-Vth则输出为T1=1，否则输出为T1=0；同理，比较器Comp-2用于检测VT2和VT3的故障，将线电压信号uab与一正值门槛电压+Vth进行比较，如果发现uab大于+Vth则输出为T2=1，否则输出为T2=0。在实际工作中，考虑到线电压uab受直流侧电压波动的影响，电压值不会精确的等于+Vdc，0，-Vdc，因此在实际操作中门槛电压Vth的选取一定要谨慎。最后将采集和比较后得到的信号输入到4个逻辑与门中进行处理生成故障信号，实现故障诊断和定位。

4 仿真结果分析

为了验证提出的诊断方法的可行性和有效性，本文采用Matlab/Simulink建立仿真模型验证。仿真过程中模拟整流器正常工作和故障工作状态下的情形，以验证本文所提出方法的可靠性与误诊的情况。仿真时序波形图如图6所示。

图6 故障诊断时序分析图Fig.6 Sequential analysis chart of fault diagnosis

时序图分为两个部分，从0.055 5 s到0.056 s时刻为整流器的正常工作模式，在0.056 5 s的时刻VT1管发生开路故障，可以看到诊断电路能够正常工作，快速地产生故障信号FT1，验证了该方法的可行性。但在没有故障的时候，当S3处于高电平，会在S1的上升沿时刻产生一个错误的故障信号，这样会导致故障诊断的不准确。对于这个问题，本文通过在门极信号的采集过程中添加延时补偿来避免这个现象的出现。总的延迟时间补偿可由下式得到：

式中：tdelay-on，tdelay-off为添加在门极信号Si上的延迟时间；ton和toff为IGBT的开通时间和关断时间；ts为电压传感器的延迟时间；tsk-min为最小脉冲宽度。

在添加延时补偿后的仿真波形如图7～图9所示。

图7所示的是当VT1管发生开路故障的故障仿真图，依次是交流侧电流畸变波形，线电压变化波形以及故障信号生成波形。在0.3 s时产生故障，从仿真图中可以看到，在故障产生后，相电流ia大于零的部分与正常工作时的相同，而小于零的部分跌落为零，由于系统是双闭环控制，所以其他相电流也受到影响而发生畸变。同时在仿真图中也看到了uab在故障后发生了明显的变化。最终在FT1的图中可以看到故障发生后会在很短的时间内就产生故障信号，并且准确地指示出是VT1发生了故障。

图7 VT1开路故障时诊断结果Fig.7 VT1open-circuit fault diagnosis result

图8所示的是当VT4管发生开路故障时的仿真波形，与VT1不同的是：相电流ib小于零的部分与正常工作状况下的相同，大于零的部分跌落为零，线电压uab的变化情况相似，同样也产生了对应于VT4的故障信号FT4，诊断正确。

图9为当VT2和VT3管同时发生故障时的仿真波形。由于每个管的故障特征向量都是唯一的，并不互相冲突，所以本文提出的方法对于多管故障诊断也是有效的，诊断结果是正确的。

图9 VT2，VT3故障时诊断结果Fig.9 VT2&VT3open-circuit fault diagnosis result

5 结论

本文提出了一个针对电压型PWM整流器中IGBT发生开路故障时的诊断方案。通过比较正常和故障工作方式下门极信号和线电压的变化情况，建立故障特征向量，由此来提出诊断和定位的方法。仿真结果显示，本文提出的方法能够在故障发生后的短时间内对PWM整流器主回路功率器件的单管开路故障进行可靠诊断，同时对于多管的开路故障也能实现准确的判断和定位。经仿真测试，该方法在空间矢量、传统滞环及其改善后的算法中都能达到精准诊断的效果。在本文所提出的方法中，只需采集到门极信号和少数几个电压传感器就能实现故障诊断电路，使得检测过程在达到准确诊断的同时还能简化了诊断系统。

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