DC-DC變換器的故障診斷及容錯(cuò)策略研究.pdf

1、隨著功率半導(dǎo)體制造技術(shù)和微電子技術(shù)以及其它邊沿技術(shù)的不斷改進(jìn)和飛速發(fā)展，DC-DC變換器技術(shù)有了突破性的發(fā)展。目前，DC-DC變換器以其獨(dú)有的體積小、重量輕、效率高、輸出形式多樣、穩(wěn)壓范圍寬等特點(diǎn)，在計(jì)算機(jī)、通信系統(tǒng)、新能源發(fā)電、航天航空和交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。它們的正常運(yùn)行對(duì)保證整個(gè)系統(tǒng)的安全、高效、優(yōu)質(zhì)運(yùn)行意義十分重大。通過在線實(shí)時(shí)診斷DC-DC變換器的故障，迅速切除故障以及采取合適的容錯(cuò)控制策略，可以有效的提高系統(tǒng)的可

2、靠性。因此，對(duì)DC-DC變換器的故障診斷和容錯(cuò)控制策略開展研究具有重要的理論意義和工程應(yīng)用價(jià)值。
　　實(shí)踐表明，功率開關(guān)管是電力電子電路中脆弱的一環(huán)，絕大多數(shù)故障變現(xiàn)為功率開關(guān)管的開路和短路。功率開關(guān)管的損壞可能會(huì)增加其他器件的電壓和電流應(yīng)力，如果不及時(shí)切除故障，將會(huì)導(dǎo)致二次故障，最終造成整個(gè)系統(tǒng)的崩潰。因此，本文主要針對(duì)DC-DC變換器功率開關(guān)管的故障診斷和容錯(cuò)控制。
　　本文首先以在高電壓輸入和中大功率場合得到廣泛應(yīng)用的

3、ZVS移相全橋變換器為切入點(diǎn)，給出了基于解析模型的開關(guān)管開路和短路故障診斷方法。針對(duì)變換器開路故障，以變壓器兩端的電壓為故障診斷依據(jù)。基于對(duì)變換器開路故障模態(tài)的分析，引入主動(dòng)移相技術(shù)，利用簡易硬件電路，實(shí)現(xiàn)開關(guān)管開路故障的定位；針對(duì)開關(guān)管短路故障，以變換器直流側(cè)電流為故障診斷依據(jù)，結(jié)合開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號(hào)和變壓器原邊電壓，利用邏輯電路快速實(shí)現(xiàn)開關(guān)管短路故障的定位。同時(shí)，為了使故障后的電路不停機(jī)持續(xù)運(yùn)行，通過改變變換器控制方式，將全橋變換器轉(zhuǎn)化

4、為不對(duì)稱半橋變換器，從而避免引入故障開關(guān)管隔離電路以及和冗余開關(guān)管，降低了容錯(cuò)控制策略的成本。
　　上述針對(duì)移相全橋變換器的故障診斷方法所需診斷時(shí)間較長，而且該方法不能拓展到其它DC-DC變換器，通用性較差。因此，本文給出了一種基于磁性元件電壓的通用快速故障診斷方法。由點(diǎn)及面，以基本的無隔離單管變換器和帶隔離變壓器的雙管變換器為切入點(diǎn)，通過對(duì)變換器開關(guān)管故障發(fā)生后一個(gè)開關(guān)周期磁性元件電壓的分析，提出了基于電壓時(shí)序的診斷方法。通過電

5、壓信號(hào)和驅(qū)動(dòng)信號(hào)的配合，可以在不到一個(gè)開關(guān)周期的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)變換器的故障診斷，診斷時(shí)間很短，成本更低。通過分析總結(jié) PWM變換器不同工作狀態(tài)下磁性元件電壓時(shí)序信號(hào)特征，得到了診斷方法適用條件，從而可以將該方法推廣到大部分的PWM變換器，通用性更強(qiáng)。
　　現(xiàn)有的DC-DC變換器的故障診斷都需要檢測主電路的電壓或電流，由于與主電路有物理連接，可統(tǒng)稱為接觸式故障診斷法。接觸式故障診斷法需要與主電路有物理連接，電磁干擾大，通用性不強(qiáng)。為此，

6、本文提出基于近場磁場信號(hào)的非接觸式診斷方法。電路的近場磁場信號(hào)包含了豐富的電路工作狀態(tài)信息，它們同樣可以反映電路的工作狀態(tài)，因此可以作為代替主電路中的電壓和電流作為檢測的依據(jù)。本文通過對(duì)電路中近場磁場信號(hào)的建模，為電力電子電路的狀態(tài)監(jiān)測和故障診斷提供了理論基礎(chǔ)；近場磁場探頭的制作，也為診斷裝置的推廣奠定了基礎(chǔ)。
　　為了使診斷裝置可以適用到大部分DC-DC變換器，而不依賴于變換器的模型，本文給出了基于信號(hào)處理和知識(shí)的診斷方法，以快