DC-DC變換器的故障診斷及容錯策略研究.pdf

1、隨著功率半導體制造技術(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，在計算機、通信系統(tǒng)、新能源發(fā)電、航天航空和交通運輸?shù)阮I(lǐng)域中得到了廣泛的應用。它們的正常運行對保證整個系統(tǒng)的安全、高效、優(yōu)質(zhì)運行意義十分重大。通過在線實時診斷DC-DC變換器的故障，迅速切除故障以及采取合適的容錯控制策略，可以有效的提高系統(tǒng)的可

2、靠性。因此，對DC-DC變換器的故障診斷和容錯控制策略開展研究具有重要的理論意義和工程應用價值。
　　實踐表明，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)管的損壞可能會增加其他器件的電壓和電流應力，如果不及時切除故障，將會導致二次故障，最終造成整個系統(tǒng)的崩潰。因此，本文主要針對DC-DC變換器功率開關(guān)管的故障診斷和容錯控制。
　　本文首先以在高電壓輸入和中大功率場合得到廣泛應用的

3、ZVS移相全橋變換器為切入點，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。針對變換器開路故障，以變壓器兩端的電壓為故障診斷依據(jù)?；趯ψ儞Q器開路故障模態(tài)的分析，引入主動移相技術(shù)，利用簡易硬件電路，實現(xiàn)開關(guān)管開路故障的定位；針對開關(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)動信號和變壓器原邊電壓，利用邏輯電路快速實現(xiàn)開關(guān)管短路故障的定位。同時，為了使故障后的電路不停機持續(xù)運行，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，降低了容錯控制策略的成本。
　　上述針對移相全橋變換器的故障診斷方法所需診斷時間較長，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，通過對變換器開關(guān)管故障發(fā)生后一個開關(guān)周期磁性元件電壓的分析，提出了基于電壓時序的診斷方法。通過電

5、壓信號和驅(qū)動信號的配合，可以在不到一個開關(guān)周期的時間內(nèi)實現(xiàn)變換器的故障診斷，診斷時間很短，成本更低。通過分析總結(jié) PWM變換器不同工作狀態(tài)下磁性元件電壓時序信號特征，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。
　　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。為此，

6、本文提出基于近場磁場信號的非接觸式診斷方法。電路的近場磁場信號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)。本文通過對電路中近場磁場信號的建模，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處理和知識的診斷方法，以快