直流變換器故障診斷的方法

摘 要直流變換器在計算機、通信系統、新能源發電等領域中得到了廣泛的應用。它們的正常運行對保證整個系統的安全、高效、優質運行意義重大。通過在線實時診斷直流變換器的故障，可以有效的提高系統的可靠性。本文對現有直流變換器故障診斷方法進行了總結，指出了各種直流變換器故障的優缺點。

【關鍵詞】直流變換器 可靠性 故障診斷

1 引言

隨著半導體技術和微電子技術以及其它邊沿技術的不斷發展，直流變換器技術有了突破性的發展。目前，直流變換器以其體積小、重量輕、效率高、輸出形式多樣、穩壓范圍寬等特點，在計算機、通信系統、新能源發電、航天航空和交通運輸等領域中得到了廣泛的應用。它們的正常運行對保證整個系統的安全、高效、優質運行意義重大。通過在線實時診斷直流變換器的故障，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的可靠性。因此，對直流變換器的故障診斷研究具有重要的理論意義和工程應用價值[1]。

雖然直流變換器結構繁多，但其基本上是由單管直流變換器、全橋變換器以及多電平衍生而來，相應的故障診斷方法可以推廣。因此本文主要對單管變換器、全橋變換器以及多電平直流變換器的診斷方法進行了總結，并指出各種方法的優缺點。

2 直流變換器故障診斷

2.1 單管變換器

Boost變換器是最基本的單管直流變換器，應用廣泛。文獻[2]針對Boost變換器提出了一種基于電感電流斜率的故障診斷方法。Boost變換器的電感電流作為系統控制變量，因此無需額外引入新的測量元件。數字控制器每半個開關周期采樣一次電感電流值，通過比較相鄰三個采樣值的大小實現開關管開路和短路故障的診斷。該診斷方法可以在不到兩個開關周期的時間內實現開關管故障的診斷。但是，該方法容易受到負載擾動的影響。

2.2 全橋變換器

全橋ZVS變換器因其高效率在工業中得到廣泛應用。針對全橋ZVS變換器，文獻[3]通過檢測直流側電流實現開關管開路和短路的診斷。直流側電流可以通過脈沖變壓器測量獲得，從而避免了昂貴的霍爾器件。同時通過比較直流側電流峰值和積分值，實現開關管開路和短路故障的診斷。該診斷方法可以利用簡單硬件電路實現，因此大大降低了診斷系統的成本。但是，該診斷方法不能實現故障開關管的定位，而且診斷時間較長。文獻[4]通過測量ZVS全橋變換器變壓器原邊電流、各橋臂下管電流實現故障開關管的開路和短路的故障定位。該方法需要引入較多的測量元件，診斷時間較長。文獻[5]以全橋變換器輸出電壓、原邊電壓和整流橋輸出電壓及作為診斷依據，基于小波神經網絡實現開關管的故障診斷。診斷算法較為復雜，同時診斷時間較長。

2.3 多電平變換器

多電平直流變換器可以廣泛應用在大功率工業中。針對三電平boost直流變換器，文獻[6]也提出了相應故障診斷方法，通過比較用于MPPT控制的輸出電容電壓的誤差實現開關管故障的診斷。文獻[7]針對半橋三電平變換器，通過觀察飛躍電容電壓的大小，可以實現功率開關管的故障檢測。該診斷方法不需要引入昂貴的測量元件和數字處理系統，僅依靠簡單的硬件電路即可實現。

3 結論

直流變換器的正常運行關系到整個系統的安全運行，對直流變換器的故障診斷備受研究者的關注。本文對現有直流變換器的故障診斷方法進行了介紹、總結，指出了各種方法的優缺點，對直流變換器故障方法的研究具有一定的指導意義。

參考文獻

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[3]S.Y.Kim，K.Nam，H.S.Song，et al. Fault diagnosis of a ZVS DC-DC converter based on DC-link current pulse shapes[J].IEEE Trans.Power.Electron.，2008，55（03）：1491-1494.

[4]李雄濤.ZVS PWMDC/DC全橋變換器故障診斷系統研究[D].廣州：華南理工大學，2010.

[5]吳丹.DC/DC開關電源的故障[D].湖南：中南大學，2007.

[6]E.Ribeiro，A.J.M.Cardoso， C.Boccaletti.Fault-tolerant strategy for a photovoltaic DC-DC converter[J].IEEE Trans.Power.Electron.，2013，28（06）：3008-3018.

[7]H.Sheng，F.Wang，C.W.Tipton.A novel protection scheme for three-level converter based on monitoring flying capacitor voltage[C].Power Electronics Specialists Conference（APEC），2008：790-795.

作者簡介

聶松松（1986-），男，現為湖北襄陽供電公司調控中心工程師，從事電網繼電保護管理工作。

作者單位

湖北襄陽供電公司調控中心 湖北省襄陽市 441000