双向全桥DC-DC变换器故障诊断研究

闻 飞

(淮河水利委员会水文局信息中心，安徽 蚌埠 233001)



双向全桥DC-DC变换器故障诊断研究

闻 飞

(淮河水利委员会水文局信息中心，安徽 蚌埠 233001)

随着智能电网建设需求的发展，无工频变压器大功率电力电子变换器，以其低污染、高效率、智能化等多种优势引起人们越来越多的关注。无工频变压器大功率变换器的两种单相拓扑，由级联式多电平AC-DC整流模块、双向DC-DC变换模块和多电平DC-AC逆变模块构成。根据双向全桥DC-DC变换器的故障诊断的原理，对现价段故障诊断的研究成果进行分析比较，提出了一种基于通过提取高频隔离变压器原边电压作为诊断特征的故障诊断方法。当开路故障诊断发生在双向全桥DC-DC变换器原边的任一开关时刻，可以产生的异常状态的指示，并且会在控制系统中触发一个有源移相，在此时可以准确的定位出故障开关的位置。并通过仿真实验对该故障诊断方法进行验证，证明了该方法的正确性和在实际电路中的可用性。

全桥双向DC-DC变换器；故障诊断；开路故障；有源移相

随着智能电网建设需求的发展，无工频变压器大功率电力电子变换器，以其低污染、高效率、智能化等多种优势引起人们越来越多的关注。无工频变压器大功率变换器的两种单相拓扑，由级联式多电平AC-DC整流模块、双向DC-DC变换模块和多电平DC-AC逆变模块构成。其中双向DC-DC变换模块通常采用双H桥DC-DC变换器结构[1]。

在生产工艺的关键流程中电力电子系统通常被广泛的应用，如果电力电子设备产生故障，将会在生产中不断地出现重大的经济损失。在步入二十一世纪之后，与电力电子系统相关的故障诊断技术正在迅速地发展, 故障检测技术和诊断系统设计也是日趋智能化与便捷化，尤其是最近这些年，神经网络和模糊推理，以及状态识别等技术开始在电力电子系统的故障诊断中广泛应用，而这一发展，则是为电力电子电路的智能故障诊断技术开辟了一个全新的发展领域和方向。

在这可以参照国际上故障诊断领域方面的权威——德国P·M·Frank教授的观点，将目前电力电子系统故障诊断方法可以简单地划分成三种方法：基于解析模型的方法，基于知识的方法，基于信号处理的方法。

现阶段，也有很多成熟的故障诊断的方法应用在具体的科技研究和实际操作之中，如：

第一，近年来，有中国的学者提出了一种利用磁场的波形作为故障诊断的特征，他们认为在现阶段，利用电压和电流作为故障诊断特征的故障诊断的方法已经出现不少了，通过传感器或者是电流表、电压表可以较为容易地获得相关的信息，再通过建立一个成熟的数学模型和电路拓扑结构，将参数输入进去，在基于知识分析和理论模型的方法来进行分析和判断。一旦电压和电流的数据通过传感器和变压器获得之后，就可以对其进行解构、模拟、分析。但是又由于电压和电流传感器受到能量等级和尺寸、造价、效率的限制，所以以电压和电流作为故障诊断特征的故障诊断方法的适用范围并不是非常广泛。

第二，来自韩国新能源方面的学者，他们提出了一种在线对故障类型进行诊断的方法，他们认为对每个双向DC-DC变换器进行分别的、单独的故障诊断电路的设计，在大型的工业生产与住宅集群中应用起来耗费过大，所以他们主张对所有的电力电子元件的故障特征进行统一的提取和整合，通过在网上对信息进行系统的、实时的分析来判断出故障的位置和类型。但是这一方法的实施上也会带来许多问题，第一，对于网络终端分析结构的要求比较高；第二，虽然是降低了在各个元器件上故障诊断的花费，但是网络终端的消耗也是很大的；第三，对维修人员的素质提出了较高的要求，必须具备分析和在线给予指导的能力。

1 故障诊断方法论述

在电力电子系统中，往往会出现器件故障，例如：半导体的老化，驱动的故障，传导的故障，所以在很多的情况下，往往会要求提出一种解决方法，可以在系统出现故障时，快速地检测出现故障的电子器件和开关，区分出故障的原因，进而分析并提出解决方案，做到事半功倍。在电力电子故障检测方面，一开始，多是采取分析次要特征，例如线下分析，现场测量数据，噪声等方法。当然，还有一些简单的故障诊断手段，通过在电路中的各个部分都加装传感器，对电路系统中的电压，电流，温度等参数进行测量与分析。不过，这样的故障诊断策略，往往会产生一个复杂的系统，并且在经济投入上会大幅的增加。从而，在后续的维护与保养方面，都会增加大量的精力消耗和经济投入[2]。

最近的调查统计发现，在电力电子器件的系统之中，最容易损坏的器件就是功率开关管。由于电力开关的重要性，很多专家学者都致力于研究功率开关管的故障特征，并发表了很多高水平的文章。功率开关管的故障，一般分为两类：开路故障和短路故障。短路故障的故障检测和故障保护是快捷的，且从故障产生至故障中间，电路的响应速度是高速高效的[3]。目前，有很多研究短路故障的保护在工业中运用的成果，而本文所研究的是电力开关的开路故障，副边开关的开路保护不在研究范围之中。

为了能将开路故障的开关位置准确确定出来，必须要有足够的采样信号提供给故障诊断电路进行检测和分析。常用的采样信号是输出电压或者是输出电流。然而，这些采样信号经过负载端后，部分故障信息会发生丢失。因此，无法从这些信号中提取故障特征。同时，变压器的初级电流的波形与故障开关位置有关因此也可以用来确定故障位置，但是双向DC-DC中的主电感具有滤波功能，很难从变压器初级电流中提取出全部故障特征。

在实际的操作中，故障诊断的执行过程分为三个步骤：①产生残差，就是要能够产生反映故障相应的信号；②对残差进行评估，就是对故障发生的时间和地点进行系统分析和逻辑决策；③对故障进行分析，就是要决定故障的类型、大小及其发生的原因。根据残差产生形式的不同，基于解析模型的故障诊断方法又被分成了：状态估计方法和参数估计方法[4]。

1)状态估计方法。这一方法的基本思想是基于系统的解析模型与可测信息，设计出一个观测器，在通过对输入和输出端的信号进行系统的估计后，重构系统中的某一个观测的变量，然后，再由观测器的输出与实际构建的系统的输出构造出一个残差，进而再对残差进行分析处理，再来实现设计的系统的故障诊断。所以，关键的任务，那就是设计检测观测器，这样才能够诊断出尽可能多的故障，而是在不同故障中的输出残差中具有不同的方向特性，再通过对状态残差的进行分析和再处理，进而利用故障决策方法，然后再来实现故障元件的检测与隔离的操作。

2)参数估计方法。参数估计方法，则是根据相应的物理参数和模型参数的变化，进而来检测和隔离系统的故障。这个方法的基本理念就是：被诊断对象发生故障，实质上就是它的过程系数的变化，通常的，这一过程又会导致变化系统的相应参数的发生。因此，本章可以根据对应的过程系数和系统参数变化来检测诊断系统的故障[5-6]。在与方法(1)相比之后，可以观察出，参数估计法更利于故障的分离。

2 原边电压采样诊断法

本文所采用的故障诊断方法，是利用原边电压来进行判断故障的类别，所以采用原边电压来判断故障类别的原因，主要是因为原边电压的稳定波形相对而言比较容易达到，另外究其本身的拓扑结构，核心是一个变压器，所以利用原边电压作为故障诊断的特征提取量。

将基于解析模型的故障诊断方法应用于双向DC-DC中，所采用的双向全桥DC-DC变换器故障诊断电路如图1。Q1-Q4是变换器原边的四个开关管,D1-D4是变换器副边的四个开关管。原边和副边都是由四个开关管，四个输出电容器(C1-C4)，以及四个反并联的二极管组成。此外在原边，加了电容Cb，副边上输出电感为Lf，输出电容为Cf。

图1 双向全桥变换故障诊断电路图

不同于输出电流、输出电压以及变压器的初级电流，变压器的初级电压Vout的波形的形状是由原边的开关状况直接确定的。这可以为故障诊断提供足够的信息。Vout1作为将采样变压器的原边电压和基准值做比较后得到的残差，可在实际电路中的直接测量出来。所以主要对变压器原边电压进行采样，并通过故障诊断电路对其进行分析，故障诊断电路是带有DSP控制器和故障诊断单元的双向全桥DC-DC变换器(见图2)，首先通过图2中的故障诊断电路1来判断是否发生故障，然后通过5中的故障诊断电路2对故障开关的位置进行确定。

图2 检测电路1

(a)

(b)图3 检测电路2

由图2可知，对原边电压Vout进行采样，将该信号送入检测电路1中，将该电压与基准电压Vcom1利用比较器1进行比较后得到Vout1，通过RC进行低通滤波得到Vout1的平均值Vfilter，再将该平均值送到比较器2得到判断是否发生故障的信号。当为高电平时，有故障发生；当为低电平时，没有故障发生。当有故障发生时，再将Vout送到检测电路2中(见图3)，得到可以确定故障开关位置的四个输出信号：F1，F2，F3，F4。因而分别判断出故障发生与否、发生故障开关管的位置。F1-F4与开关管Q1-Q4故障管关系如表1所示。

表1 故障关系表

3 故障情况下电路分析

在对该双向DC-DC电路在故障情况下进行分析之前，要明确如下几个前提条件[7]：

1)所有的开关都是假定处于理想状态之下的，而且D1-D4是假定不会发生故障的，即本文中只对原边的四个开关进行故障检测。

2)Cb为足够大的电容，在一个周期内，可被视为一个恒定的电压源。

3)C1-C4拥有同样的电容值。

4)小的电流波动忽略不计，通过Lf的电流被视为通过负载的电流Io。

基于上述的假设，得到如下的公式

(1)

(2)

式(1～2)中：ip(t)为原边上的电流；而Im为通过原边绕组的电流；is(t)为副边上的电流；VAB为节点A和节点B之间的电压；VCb为电容Cb上的电压；ip(t)为变压器的初级电流；is(t)为变换器的二次电流。

当原边中的任何开关发生开路故障时，输出电压都会降低到一个较低的水平，DSP控制器会通过减小移向比d来调整输出电压，保证其稳定，直到d等于0。

为了方便，对Q2发生开路进行故障分析。在达到稳定的一个工作周期内，各个工作状态的电路电流流向如图4所示。

图4 异常状态下的运行状态(1-6)

经过上述对6个状态的分析，可以得到正常状态和故障状态下各个参数值如表2所示。

表2 正常状态和故障状态下的参数

在一个开关周期里，当故障发生在Q2时。在状态2、3、5和6下

t01= t34≈T=0.5 Ts

(3)

Ts是开关周期。而T是运行周期，在移相双向全桥DC-DC变换器中，它是Ts的一半。在此运用伏秒关系，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)

在经过比较之后，可以发现RC滤波装置是可以用来平滑Vout1的波形。当变换器工作在正常状态下，Vout1的脉宽deff(deff是双向全桥变换器的有效相移)。在滤波之后，Vfilter=deffVf/2(Vf在图5中)。如果变换器工作在异常状态下，Vout1的脉宽是非常窄的；因此可以认为Vfilter≈0。所以比较器2的参考值Vcom2应在[0，deffVf /2]中取值，可以得到

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

(6)

Vcom3= Vdc /3Kau

(7)

因为当故障发生在不同的开关时，Vfifter1和Vfifter2有着不同的电压水平，为了可以分辨出四个原边开关发生开路故障的类型，两个阈值，Vcom4和Vcom5应该被分别限制在0

Vcom4=Vf/8

(8)

Vcom5=3Vf/8

(9)

4 仿真分析

在进行了理论分析后，对系统进行仿真分析研究，对系统性能指标及参数设置等方面进行测试，判断是否达到预期设计目标，是一个不可或缺的重要步骤。

双向全桥DC-DC变换器带有检测电路1在正常情况下的电路如图5所示，主电路电感LP=4uh；Cb=4uf；Vdc=150V；变压器变比为1。当未发生故障时，左侧半桥移相比为0.5，此时检测电路1输出电压F10为低电平。仿真结果如图6所示，可以通过Vpwm11Vpwm12看出移相比为0.5，输出电压F10为低电平。

图5 正常情况下带有检测电路1的双向全桥DC-DC变换器电路图

图6 正常情况下带有检测电路1的双向全桥DC-DC变换器仿真结果图

双向全桥DC-DC变换器带有检测电路1在故障情况下的电路如图7所示，其参数不变。当左侧半桥发生开路故障时，输出电压会急剧变小，经过闭环调节，使左侧半桥移相比逐渐变小直到为0。在这个情况下，检测电路1输出的电压为高电平，通过此高电平可以判断出来左侧半桥发生了故障。仿真结果如图8所示中Vpwm21Vpwm22其移相比为0，输出电压F20为高电平。

图7 故障情况下带有检测电路1的双向全桥DC-DC变换器电路图

图8 故障情况下带有检测电路1的双向全桥DC-DC变换器仿真结果图

通过检测电路1可以判断出是否发生故障，当检测出来发生故障后，通过控制脉冲信号使得移相比恢复到发生故障之前的0.5。在此种情况下，继续通过检测电路2来确定是左侧半桥中4个开关管的具体哪个发生了故障。双向全桥DC-DC变换器带有检测电路2在Q1开关管开路情况下的电路如图9所示，其中参数不变。双向全桥DC-DC变换器带有检测电路2在Q1开关管开路情况下的仿真结果如图10所示，其Vpwm31Vpwm32移相比为0.5，F1=1、F2=0、F3=0、F4=0证明了Q1发生了开路故障，满足表1。当Q2、Q3、Q4发生开路故障时和Q1类似，这里就不再赘述。

图9 T1开关管开路下带有检测电路2的双向全桥DC-DC变换器电路图

图10 T1开关管开路下带有检测电路2的双向全桥DC-DC变换器电路图

5 结语

本文成功将基于原边电压采样的开路故障诊断方法应用于双向全桥DC-DC变换器中。文中提出的方案可以检测出有无开路故障发生，同时也可以确定发生开路故障开关管的准确位置，并且介绍了诊断原理和实施方法，仿真结果也已经证实了此种方法的可行性。为双向全桥DC-DC变换器的故障诊断提供了一种有效方法，为电力电子电路的故障诊断提供了一种可行方案。

本文只针对双向全桥DC-DC变换器的其中一侧的，即原边的电力电子开关的故障诊断进行了探究，对副边的四个开关可能会出现的开路故障并未进行研究和探索。而且所分析的都是对双向DC-DC变换器发生开路故障的情况，尽管短路故障的探究现状态已有很多成果，本文中尚未体现出来。对变换器的开路故障诊断的研究都是基于非常理想的前提条件之下。研究中存在的不足之处还有待于进行后续研究进行完善补充。

[1] 高金萍.大功率双向DC/DC变换器的研究[D].华中科技大学硕士学位论文，2009.

[2] Y CHEN, X J PEI, S S NIE,et al. “Monitoring and diagnosis for the DC-DC converter using the magnetic near field waveform,”[J].IEEE Trans. Ind. Electron, 2011,58(5)：1 643-1 647.

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[4] K AMBUSAIDI, V PICKERT, B ZAHAWI.New circuit topology for fault tolerant H-bridge DC-DC converter[J]. IEEE Trans. Power Electron., 2010，25(6)： 1 509-1 516.

[5] V CHOUDHARY, E LEDEZMA, R AYYANAR,et al. Fault tolerant circuit topology and control method for input-series and output-parallel modular DC-DC converters,[J].IEEE Trans. Power Electron., 2008，23(1)：402-411.

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[7] CHEN Y, NIE S, PEI X, et al. State monitoring and fault diagnosis of the PWM converter using the magnetic field near the inductor components[C]// Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2010 IEEE. 2010:1 901-1 907.

(责任编辑：李 丽，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 ，Fault 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

闻飞(1985-)，男，安徽蚌埠人，工程师，硕士，研究方向：水文遥测通信和水利电气技术。

TM133

A

1672-1098(2016)05-0063-09