ISOP 系统电源模块故障诊断策略设计与实现*

程红丽 ，史金鑫* ，李 勇

(1.西安科技大学通信与信息工程学院，陕西 西安 710054；2.西安恒为电气科技有限公司，陕西 西安 710100)

将多个标准功能的电源模块输入输出侧串并联，组成多模块串并联组合系统，能够降低研发难度、减少成本，同时利于扩容和冗余[1]。其中输入串联输出并联(input series output parallel，ISOP)电源系统能够承受较高的输入母线电压，输出低压大电流，能适用于输入电压高输出电流大的场合[2]。由于ISOP 电源系统独特的组合方式，一旦电源模块发生故障无法及时诊断与处理，剩余模块将直接受到影响[3]。在实际应用中，由于电源模块内部开关管等功率器件易发生故障，导致电源模块出现开路故障或短路故障[4]。同时，内部功率器件故障所引起的电压、电流应力冲击也会危害电路中其他元件的安全，易造成二次危害。因此需要针对ISOP电源系统中的开路故障与短路故障进行故障诊断。

文献[5－6]通过直接监控开关管来诊断故障，但这种方法在电源内部加入的检测电路，会导致电源模块工作不稳定，降低动态特性和效率。文献[7]提出了一种适用于多种模块化组合系统的故障诊断策略，该策略根据磁性元件电压与开关管驱动信号的时序特征进行故障检测，可在一个开关周期内诊断故障。但是这种故障诊断策略还是从电源模块内部入手，影响电源模块本身的稳定性。文献[8]采用输出电压微分的方法设计了故障诊断策略，与传统诊断方法相比，具有故障诊断时间短、不使用传感器和成本低的特点，但是这种方法不适合ISOP 电源系统。

针对以上问题，根据ISOP 系统电源模块输入侧分压电容在短路故障与断路故障下充放电速度与变化趋势不同的原理，提出了一种针对多模块ISOP电源系统的故障诊断方法。

1 ISOP 系统电路结构及故障类型

两个电源模块在输入侧串联输出侧并联组成ISOP 电源系统，如图1 所示。正常运行时，为保证各模块工作时功率均衡，需要增加控制策略来保证电源模块输入侧电压均压输出侧电流均流[9]。正常运行时两个电源模块平均地分担母线电压，输入侧分压电容C1、C2电压均压，每个模块都处于功率相对较低的条件。出现断路故障时均压控制失效，故障电源模块的等效阻抗变得无穷大，导致故障模块分压增大，对应分压电容充电电压上升，由于总输入电压恒定，正常模块分压电容放电输入电压下降。出现短路故障时均压控制失效，故障模块的等效阻抗变为0，导致故障模块分压减小对应分压电容放电电压下降，正常模块输入分压电容充电电压上升。短路故障相当于自行隔离故障模块，短期内不影响电源系统，但是长期运行会增加正常模块电应力，增加了故障风险。

图1 ISOP 电源系统结构

2 故障模型与故障诊断

2.1 断路故障模型

以电源模块1 出现断路故障为例，其他模块出现断路故障时同理。电源模块1 断路故障简化图如图2 所示，为方便计算将电源模块1 和电源模块2分别用等效电阻R1和R2代替(R1＝R2＝R)。C1和C2(C1＝C2＝C)分别是电源模块1 和电源模块2 对应的分压电容。

图2 断路故障简化图

断路故障时分压电容电压VC1和VC2变化示意图3 所示。

图3 断路故障分压电容电压变化示意图

(1)在0～t1时刻:两电源模块正常运行，在输入均压控制策略下，各模块分压电容电压VC1和VC2近似相等，约为输入电压的一半:

(2)在t1～t2时刻:t1时刻电源模块1 出现断路故障，VC1开始升高，VC2开始下降。假设在t2时刻VC1增加了ΔV，VC2减少了ΔV。t2时刻电容C1吸收的能量WC1与C2释放的能量WC2关系式如下:

输入能量Win关系式如下:

电源模块1 出现断路故障后，电源模块2 消耗的功率会随着C2电压的下降而变化，电源模块2 消耗能量WR2为:

根据能量守恒关系可得:

结合式(2)～式(6)可以求出t1～t2时刻区间时间Δt:

(3)在t2～t3时刻:VC1继续上升，VC2继续下降，直到t3时刻VC1上升到Vin，VC2下降0，此刻系统完全失控。取ΔV＝1/2Vin，可以计算出断路故障发生到完全失控的时间区间(t3～t1)，根据时间区间求得断路故障下输入分压电容电压变化的平均速度vcocf:

2.2 短路故障模型

以电源模块1 出现短路故障为例，其他模块出现短路故障时同理。电源模块1 短路故障简化图如图4 所示，为方便计算将电源模块1 和电源模块2分别用等效电阻R1和R2代替(R1＝R2＝R)。C1和C2(C1＝C2＝C)分别是电源模块1 和电源模块2 对应的分压电容。短路故障时分压电容电压VC1和VC2变化示意图5 如示。

图4 短路故障简化图

图5 短路故障分压电容电压变化示意图

(1)在0～t1时刻:两电源模块正常运行，在输入均压控制策略下，各模块分压电容电压VC1和VC2近似相等，约为输入电压的一半。

(2)在t1～t2时刻:t1时刻电源模块1 出现短路故障，VC1快速下降到0，VC2快速上升到Vin。计算分压电容C1被短路后放电的时间即可求出t1～t2的区间时间Δt，其中Resr是分压电容的等效串联电阻[10]，已知R≫Resr。电容放电公式如下所示:

设VC1下降到0.5 V 基本可视为放电完成，则Δt计算表达式如下:

根据时间区间求得短路故障下输入分压电容电压变化的平均速度vcscf:

将式(8)与(11)的结果相减，得数学表达式如(13)所示:

对数学表达式(13)求导，求导结果如式(14)所示，可知式(13)单调递减。由式(13)可知f(Vin)＝0时，因此只要满足，则f(Vin)＞0。满足该条件下断路故障分压电容电压变化时间要大于短路故障。因为出现故障时分压电容电压变化的幅值相同，于是短路时电压变化速度大于断路时电压变化速度，如式(15)所示。

2.3 故障诊断阈值的设置

由式(15)可知在满足一定条件下断路故障电容电压的变化速度要远小于短路时的速度。同时，故障电源模块在不同故障下分压电容电压变化趋势也不同。这就为故障类型的判断与定位提供了依据。通过检测各模块分压电容电压变化的速度与变化的方向，就可以实现故障类型判断与故障模块定位。下面以两模块ISOP 电源系统为例说明。

因为不同故障电容电压的变化速度不同，通过固定采样间隔T就可以判断分压电容电压的变化速度。T取值范围如下式所示:

不同模块短路故障下分压电容电压变化示意图如图6 所示(图6、图7 时间节点都相同)。根据故障诊断速度选择故障阈值设定时刻t2(在此时刻设定判断故障阈值)。根据短路故障数学模型即可求出t2时刻各分压电容的电压VC1与VC2。

图6 短路故障VC1与VC2示意图

如图6(a)所示，t1时刻电源模块1 出现短路故障，在t2时刻VC2＝Vin，VC1＝0，VC2＞VC1。如图6(b)所示，t1时刻电源模块2 出现短路故障，在t2时刻VC1＝Vin，VC2＝0，VC1＞VC2。于是通过对VC1与VC2相减ΔV再减去合适的裕量值V1作为判断短路故障的阈值VSCF:

以时间间隔T采样VC1与VC2的电压并相减，当大于VSCF即为电源模块2 出现短路故障。当小于－VSCF即为电源模块1 出现短路故障。

不同模块断路故障下分压电容电压变化示意图7 所示，根据故障诊断速度选择故障阈值设定时刻t2。通过断路故障时分压电容电压变化速度即可求出t2时刻各分压电容的电压VC1与VC2。

如图7(a)所示，t1时刻电源模块1 出现断路故障，在t2时刻VC1＞VC2。如图7(b)所示，t1时刻电源模块2 出现断路故障，在t2时刻VC1＜VC2。于是通过对VC1与VC2相减ΔV再加上合适裕量值V1作为判断断路故障的阈值VOCF:

图7 断路故障VC1与VC2示意图

以时间间隔T采样VC1与VC2的电压值并相减，当大于VOCF且小于VSCF即为电源模块1 出现断路故障。当小于－VOCF且大于－VSCF即为电源模块2 出现断路故障。在t2时刻即可进行故障判断及定位，识别时间远小于从断路故障发生到系统完全失控的时间。

综上所述，通过设定固定的电压采样时间间隔T，每隔时间T进行采样并计算VC1与VC2的电压差值ΔV，通过比较ΔV值来判断故障类型及定位。以下为故障判断策略集合:

3 模型仿真与故障诊断方法验证

对系统各部分组成以及关键元件的参数进行了计算和设计，并在Simulink 环境下对ISOP 系统不同故障下输入电容电压波形进行仿真验证，最后完成了硬件制作与调试。

3.1 故障波形仿真

在Simulink 环境下对系统不同故障下输入电容电压波形进行仿真验证，系统的输入为电压220 V的交流电，经过全桥整流电路后接ISOP 电源系统，输入电容取值为100 μF，采用两个10 kΩ 的电阻代替两个电源模块。通过断路或短路电源模块1 来模拟故障，检测输入电容电压波形，通过仿真验证不同故障的数学模型。

图8 所示为电源模块1 断路故障时VC1与VC2的电压波形仿真图，从断路故障发生到电压变化基本停止，分压电容电压的变化速度与变化趋势与断路故障理论推导一致，理论分析正确。

图8 电源模块1 断路故障时VC1与VC2的电压波形仿真图

图9 所示为电源模块1 短路故障时VC1与VC2的电压波形。短路故障发生时分压电容电压变化极快，分压电容电压的变化速度与变化趋势与短路故障理论推导一致，理论分析正确。

图9 电源模块1 短路故障时VC1与VC2的电压波形仿真图

3.2 实验验证

为验证故障诊断策略设计并搭建了基于STM32F103ZET6 的两模块ISOP 电源系统，电源模块采用反激变换器，参数见表1。

表1 ISOP 系统的基本参数

电源模块采用手动控制开关来模拟断路故障与短路故障，通过显示屏显示故障模块与故障类型。程序流程图如图10 所示。

图10 故障诊断程序流程图

实际取T等于0.01 s，VOCF等于40 V，VSCF等于240 V，当故障识别时，显示屏显示识别结果，同时输出一个高电平作为故障指示信号。由于诊断策略需要根据各电源模块输入电压相减来判断故障，这就需要各模块在正常运行时输入电压波动范围小能够均压运行。本实验中各电源模块加入均压控制策略确保输入电压均压[2]。在各模块输入电压波动不稳定的条件下，需要通过增大判断阈值牺牲故障判断时间来进行设置。当前ISOP 系统为保持各模块功率均衡，都具有输入均压控制环路，这就为该控制策略提供了良好的前提[11－12]。

图11 为电源模块1 断路故障时分压电容电压波形和故障识别信号。断路故障发生后相应分压电压电压上升。经过约0.2 s 故障指示信号即变为高电平故障识别，故障诊断时间远小于断路故障完全失控时间。

图11 断路故障示波器波形图

图12 为电源模块1 短路故障时输入电压波形和故障识别信号，短路故障发生后，经过约0.25 s 故障指示信号即变为高电平故障识别。

图12 短路故障示波器波形图

4 结论

针对ISOP 组合电源系统提出了一种故障诊断策略。该方法只需采样各电源模块输入侧电压，在不涉及相应模块的内部工作参数的条件下完成故障诊断，提高了电源模块的稳定性和通用性。对于两模块以上的ISOP 系统，理论推导方法与两模块相同。实验结果验证了该故障诊断策略在ISOP 电源系统中的可行性。该故障诊断方法响应速度快、故障诊断准确率高，在模块输入电压稳定的情况下故障识别率接近100%。