基于电感电流的双有源桥DC/DC变换器的开路故障诊断

张龙港，康劲松，郭其一

(1.同济大学 电子与信息工程学院，上海 201804；2.同济大学 铁道与城市轨道交通研究院，上海 201804)

传统列车牵引单元中常使用工频变压器来实现电压匹配和电气隔离[1]，由于其体积大、质量大，极大地限制了高速铁路轻量化发展。电力电子变压器(PET)结合了电力电子元器件和高频变压器，相较于传统的牵引变压器，其尺寸小、质量轻，且可实现功率流动控制、电能质量调节、隔离谐波和电压波动等功能。为了提高功率等级及功率密度，基于PET的列车车载牵引传动系统通常为级联结构，图1给出了应用最广泛的该系统的拓扑结构原理框图，主要包括级联H桥脉冲整流器、带中-高频变压器的双有源桥(DAB)DC/DC变换器以及三相逆变器[2]。

PET组成结构复杂，且运行环境较为恶劣，极易发生故障，变流器中最薄弱的环节为功率器件，其相关部件故障率超过了60%[3]。DAB作为PET的中间回路，其中的IGBT模块占比最大，且在电气隔离、效率优化等方面都起着不可替代的作用，因此研究IGBT模块快速故障诊断技术具有现实意义。IGBT模块作为DAB中的核心器件，故障形式分为开路故障和短路故障。在IGBT模块的驱动电路中往往都集成了硬件电路以防止短路故障，但这并不能对开路故障进行保护，开路故障虽不会导致系统立即崩溃，但会造成电流失真、电压波动、系统效率降低的情况。因此，对DAB的IGBT模块进行开路故障诊断十分重要。

文献[4]和文献[5]通过提取系统的电压、电流特征来进行故障诊断，但其物理意义不够明确，且需大量样本进行训练，诊断速度较慢；文献[6]提出一种可靠性较高的IGBT开路故障定位方法，但对于系统控制方法的影响考虑不足；文献[7]以级联型PET为基础，提出了不同类型开路故障的定位方法，所提方法较为快速、准确，但也较为复杂；文献[8]提出了一种基于模型的四象限脉冲整流器IGBT模块开路故障在线诊断方法，这种方法简单迅速，可靠性高。

本文在文献[8]基础上，以图1中单个模块的DAB为研究对象，在全面考虑控制、电压电流的条件下，结合DAB控制信号及其连续状态变量建立精确动态数学模型，并以此为基础构建电感电流状态估计器；在对实测电感电流值与估计值状态残差变化情况进行分析后，通过注入不同的脉冲实现故障定位；最后通过仿真验证所建立数学模型及故障诊断、定位方法的正确性和有效性。

1 双有源桥DC/DC变换器基本工作原理

DAB电路拓扑结构图如图2所示。由图2可以看出，DAB在结构上是对称的，因此可以实现功率的双向流动。

U1.变换器的输入电压；C1.变换器输入侧滤波电容；L.变压器漏感及外加串联电感之和；iL.电感电流；k.变压器变比；C2.变换器输出侧滤波电容；RL.变换器输出侧等效电阻；U2.变换器的输出电压；UAB和UCD.原副边H桥输出电压；S1～S8.IGBT；D1～D8.二极管。

一般来讲，DAB有2种基本的控制方法：脉宽调制控制和移相控制。移相控制相对于脉宽调制控制更为简单且易实现，因此，DAB大多数工作在移相控制方式下完成。以单移相控制方式为例，当DAB正常工作时，原副边H桥的每个桥臂上的IGBT均为180°互补导通，且处于对角位置的IGBT会同时开通或关断，原副边H桥将分别输出占空比为50%的方波电压UAB和UCD。通过调节UAB与UCD之间的移相占空比大小，就可以实现传输功率大小及方向的改变。当移相占空比大于0时，即UAB的相位超前于UCD时，功率将会正向传输；反之，功率反向传输。DAB的传输功率随着移相占空比的增大而增大[9]。

图3为单移相控制方式下变换器的电压电流波形图。图3中，在D=0.5时，传输功率达到最大，因此DAB通常工作在D∈[0,0.5]的范围内。在各个工作阶段中电流流经的IGBT、二极管如表1所示。当DAB发生开路故障时，各个工作阶段的电路拓扑结构将会发生变化，表1中的流经路径会发生变化，变换器的电压及电流波形也会发生改变。在单移相控制方式下，同一桥臂的不同IGBT和二极管的故障表现呈相反的状态，而处于对角位置的IGBT和二极管的故障表现则是相同的。

图3 单移相控制方式下变换器的电压电流波形图

表1 不同工作阶段电流流经路径

2 DAB建模与故障分析

DAB在未发生故障时，等效电路如图4所示。

图4 DAB未发生故障时等效电路图

根据基尔霍夫电压定律，可得：

UAB=kUCD+uL+riL

(1)

其中：

(2)

定义理想开关函数QA、QB、QC、QD为：

(3)

结合图3中IGBT的开关状态，原副边H桥输出电压可由变换器的输入、输出电压U1和U2表示：

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

(4)

将式(2)和式(4)带入式(1)中，得DAB的数学模型为：

(5)

由于DAB的等效变压器绕组电阻较小，在对DAB的运行状态进行分析时可忽略式(5)中的riL项。

在DAB实际运行过程中，IGBT和二极管都有可能发生故障，且不同的开路故障可能具有不同的故障特征，同时也会导致不同的后果。由图2可知，DAB的电路拓扑是原副边H桥相互对称的结构，因此，原边H桥和副边H桥的IGBT和二极管在发生开路故障时具有相似的故障情况及特征。本文将主要针对DAB原边H桥IGBT和二极管发生开路故障时的情况进行研究。

2.1 IGBT开路故障

假设S1发生开路故障，根据S1发生故障时刻的不同，可将所有故障情况分为3种：

(1) 故障时S1处于未导通状态。表1中，在这种情况下，S1发生故障的时刻为t0～t1或t3～t6之间，直到S1将要导通时，即表1中的t1时刻，才会有故障现象开始出现。此时，iL将正向增大，由于S1开路，电路拓扑结构发生变化，iL将流经S4、D2，等效电路图如图5所示。

图5 故障暂态等效电路图

综上，当S1发生开路故障时，不同的故障时刻会带来相同的稳态波形，最终进入稳态时，始终满足iL≤0，如图6所示。S4开路故障时的现象与S1相同。

图6 S1开路故障时电感电流仿真波形

S2与S3发生开路故障时的现象相同，且与S1的故障特征相反，在最终进入稳态时，始终满足iL≥0，如图7所示，故障分析过程与S1开路故障类似，不再赘述。

图7 S2开路故障时电感电流仿真波形

图6以及图7的仿真中所用到的DAB的参数如表2所示。

表2 DAB相关参数

2.2 反并联二极管开路故障

同样，假设二极管D1发生开路故障，此时在正常情况下流经D1的电流将会失去流通回路。如图8所示，由于电感电流不能突变，则电感L两端的电压将急剧上升，同时将导致原边H桥输出电压UAB急剧上升，能在极短时间内达到13 000 V，远远超过IGBT模块的耐压值。

图8 D1开路故障时UAB仿真波形

同理，其余的二极管发生开路故障时，将产生相同的结果。因此，反并联二极管发生开路故障时，将在短时间内使DAB发生过压故障。

目前，IGBT模块的驱动电路中，往往都集成了短路以及过压等保护电路，反并联二极管发生开路故障时将触发过压保护电路工作。因此后续本文将不再研究二极管开路故障的诊断方法。

3 DAB开路故障诊断方法

当DAB中IGBT发生开路故障时，变换器中的一部分甚至于全部变量将呈现出与未发生故障时状态的不同现象。基于电感电流的DAB开路故障诊断方法的基本思路是通过分析实际系统与所建立DAB数学模型比较所产生的系统电感电流状态残差来进行故障诊断。当DAB处于正常工作状态时，系统电感电流状态残差值约等于0；当DAB发生开路故障时，系统电感电流状态残差的幅值将显著增大，偏离零点位置。因此，通过检测系统电感电流状态残差可达到故障诊断的目的。本文将主要针对DAB变换器原边H桥的IGBT管发生开路故障时的诊断方法进行研究。

3.1 基于电感电流的DAB开路故障诊断方法原理

由式(5)中DAB的数学模型可知，变换器的状态由理想开关函数、输入输出电压以及电感电流共同决定。对式(5)进行改写，可得到DAB的电感电流数学模型为：

(6)

引入辅助逻辑变量γ1、γ2为：

(7)

(8)

考虑到系统在实际运行过程时的采样频率，需对式(8)做出改进。采用前向欧拉法对式(8)进行离散化后，可得改进后的公式为：

(9)

式中：T——实际系统的采样时间；

n——系统的采样时刻点。

图9 DAB原边H桥的IGBT开路故障诊断原理图

3.2 基于电感电流的DAB开路故障诊断方法实现

3.2.1 故障判定及阈值选择

对于实际系统以及所构建的状态估计器，由于存在各种各样不可避免的误差所带来的影响，将导致DAB在正常工作情况下的电感电流状态残差值不为0，会在一个较小的数值区间内波动。在进行故障诊断时，为了消除误差带来的影响，首先需要将故障状态下状态残差绝对值与设定的阈值进行比较，当大于阈值时，认定故障开始发生。为了减小错误诊断发生的概率，将从状态残差绝对值大于设定阈值的时刻起，持续检测1个周期，若在1个周期内状态残差绝对值大于设定阈值的条件始终成立，则确定有故障存在。

通过对故障情况的分析以及图6、图7中DAB正常状态与不同故障情况下电感电流的对比，可得状态残差绝对值最大值为电感电流最大值，即状态残差绝对值最大值为：

(10)

将表2中DAB的相关参数带入式(10)中进行计算，可知DAB运行在额定状态下时的状态残差幅值最大值为78.125 A，为了达到快速诊断及减少误诊断的目的，取状态残差阈值为25 A。当DAB运行在非额定状态时，可根据相应的最大电感电流值来选取合适的状态残差阈值。

3.2.2 故障定位

由前文对故障情况的分析可知，处于对角位置的IGBT的故障现象及特征相同，无法直接通过状态残差值的符号来定位故障IGBT的位置。

为了区分S1和S4故障，在判断出有IGBT发生故障后，且状态残差值小于0时，诊断器对原边H桥发出脉冲1000，若此时故障IGBT为S1，则发出脉冲一段时间后，状态残差值随着实际电感电流增大到0并持续增大，再回归为0，之后实际电感电流始终为0；若此时故障IGBT为S4，则发出脉冲一段时间后，状态残差值会先随着实际电感电流增大而变化为0，然后在副边S6和S7开通时，实际电感电流流通回路为S1和D3，变化趋势为先增大后减小，状态残差值在这个过程中也会呈现相同的趋势。区分S2和S3的故障思路与上述相同，此时发出脉冲变为0100。因此，在判断出状态残差值符号(状态残差正负值)的前提下，通过发送不同的脉冲，便可以准确地定位故障IGBT位置。

4 仿真结果分析

为了验证所采用的基于电感电流的DAB的开路故障诊断方法的准确性与有效性，本文采用MATLAB/Simulink针对DAB搭建了仿真模型，使其工作在额定状态下的主要参数如表2所示。

图10给出了DAB无故障条件下实际电感电流和估计电流以及状态残差波形。由图10可以看出，在未发生故障时，实际电感电流和估计电流基本一致，状态残差在一个很小的区间内波动，波动幅值在3 A以内，验证了所建立DAB数学模型的准确性。

图10 DAB无故障条件下实际电感电流和估计电流以及状态残差波形

图11 S1开路故障诊断仿真结果

图12 S2开路故障诊断仿真结果

图13 S3开路故障诊断仿真结果

图14 S4开路故障诊断仿真结果

由图11～图14可见，设置故障发生时刻为tt0，到tt1时刻开始出现故障现象。tt1时刻之前，状态残差值接近于0，小于设定阈值；tt1时刻之后，状态残差幅值增大，且S1和S4故障时，状态残差值反向增大；S2和S3故障时，状态残差值正向增大。在tt2时刻，系统状态残差幅值开始大于设定的阈值，为防止误诊断，对其持续检测1个周期。由仿真结果可知，在1个周期内，状态残差幅值始终大于设定阈值，此时故障判定标志F发生跳变，认定有故障存在，同时，为了对故障IGBT位置进行定位，诊断器将在tt3时刻发出故障定位脉冲。若状态残差值小于0，将对原边发出脉冲1000；若状态残差值大于0，将对原边发出脉冲0100。根据状态残差符号及其变化趋势的不同，将引起不同的故障定位标志发生跳变，从而定位故障的位置。在准确的定位故障IGBT位置后，诊断器将在tt4时刻发出关断信号，以免故障扩散，引起更严重的后果。

5 结束语

本文研究了一种基于电感电流的双有源桥DC/DC变换器IGBT开路故障诊断方法。通过对实测电流值与估计值状态残差的分析，能在短时间内实现DAB中 IGBT开路故障诊断及定位。该方法简单有效，诊断速度快，计算量小，从故障发生到精确定位故障仅需要2-3个周期的时间。经仿真结果验证，该方法具有准确性和有效性。