飛跨電容三電平變換器開關器件故障檢測技術

康文妮，譚陽紅，司羽飛，趙楓帆，李 杰

（湖南大學電氣與信息工程學院，長沙 410082）

通常，功率開關器件是系統中最易損壞的組件之一[2]，大約42%的系統故障可歸因于功率開關器件故障[3]。提高變換器可靠性的自然方法是使用高度可靠的功率開關器件。然而，硅和寬禁帶半導體器件的可靠性和耐用性問題仍未完全解決[4]。飛跨電容器多電平變換器具有冗余特性[5]，即一個或多個功率開關器件出現故障，變換器仍可以運行（盡管功率水平或性能降低）。因此，要求在能夠進入容錯模式之前迅速檢測并識別出開關器件的故障。

現在越來越多的研究點集中在飛跨電容多電平DC-DC 變換器的故障診斷中。文獻[6]報道了一種基于相電流的多相多電平變換器的故障檢測方法，通過檢測相電流可以識別多電平變換器中短路和開路故障，但是無法準確定位故障器件。因此，無論分支中是否有健康的功率開關器件，容錯算法都需要切斷整個電路。文獻[7]在多電平變換器中檢測飛跨電容電壓，可以準確定位故障器件。但是，廣泛使用的FCMC電平數通常高于3，且為變換器中的每個功率開關器件都配備電流、電壓傳感器來檢測變換器的健康狀態，使得成本過高。除了成本因素以外，由于較大的無源分量，控制變量可能會緩慢地變化，從而導致故障診斷的時間持續較長。文獻[8]提出一種基于磁分量電壓的兩電平DC-DC變換器故障檢測方法，但是方法局限于兩電平。文獻[9]在直流系統中串聯電感進行了分析。

針對現有的問題，本文提出一種基于磁分量電壓的飛跨電容三電平DC-DC 變換器故障診斷策略。使用互感器獲得磁性元件電感的電壓，用比較器和AD模數轉換器將電感電壓轉換成數字量來確定故障類型和位置，再通過容錯設計保證變換器能夠繼續運行。這種新策略僅使用互感器，而無需添加任何新硬件，并且可以在2個載波周期內以較高的精度識別出故障類型和位置，因此具有成本較低、精度較高的優勢。

1 故障診斷技術原理

圖1 所示為單相三電平飛跨電容buck 變換器FCBC（flying-capacitor buck converter）示意。圖中，VD、Vsw、vL和vo分別是源邊輸入電壓、開關節點電壓、電感電壓和輸出電壓。變換器由單元1和單元2 串聯組成。飛跨電容上的壓降為vcf。假設每個單元下橋臂二極管的壓降vl是單元l（l=1，2）的輸出電壓，由KVL定理可知

圖1 單相三電平FCBC 示意Fig.1 Schematic of single-phase 3-level FCBC

本文采用相移載波脈寬調制PSCPWM（phase shift carrier pulse width modulation），其已經被應用于FCMC 線性調制領域中。定義開關函數Sk∈{0, }1 （k= 1，2），若Sk=0，則單元k的上橋臂功率開關器件斷開；反之亦然。

由于相移載波調制可以平衡每個功率開關器件上的電應力，因此飛跨電容上的壓降和每個開關單元的輸出電壓為

因此，電感電壓會出現3種電平，即：vL(1)=VD-vo，vL(2)=VD/2-vo，vL(3)=-vo。模擬電路具有反應時間快、延時短的優點，所以本文采用互感器、電壓比較器和AD模數轉換器采集電感電壓信息。設計的電壓采樣電路如圖2所示。

大數據跟我們每個人相關，但我們絕大多數人其實并不掌握大數據，當然也不能從中直接獲益。大數據掌握在極少數的機構手里，掌握在騰訊、阿里、百度等大公司手里。我們每個身處互聯網的人其實不過扮演了大數據采集節點供應器的角色，讓自己的數據匯入大數據的洪流之中，但我們鬧得再歡騰，卻也不過僅僅如此而已。我們絕大多數的個體并不是大數據宴會的真正擁有者，我們只是大數據的貢獻者甚至是犧牲者。

圖2 電壓采樣電路Fig.2 Voltage sampling circuit

假設比較器的參考電壓為vcp(n)（n=1，2，3），設置vcp(n)與電感電壓的3種電平存在以下關系

假設互感器的縮放比例系數為λ，則比較器的正輸入vm=λvL。當vm大于負輸入vcp(n)時，輸出為高電平；反之，輸出為低電平。比較器的輸出端與AD模數轉換器連接，分別將高、低電平模擬量轉換成1和0的數字量SL(n)。

通過比較器和AD模數轉換器將模擬量vL(n)依次轉換成向量M(n)，有

令Q=[M(3),M(2),M(1)]T，則Q為單位下三角矩陣。通過式（3），得出每組開關函數Sk都會對應一種電平，并且每種電平都會對應一組數字量SL(n)。假設在同一時刻，H為M(n)中1 的個數，h為開關函數Sk中1的個數，那么變換器在正常工作下，滿足

當變換器發生功率開關器件故障時，則不再滿足式（6）。

2 功率開關器件故障類型診斷和定位

使用Matlab/Simulink 仿真驗證所提出的方法，建立基于寬禁帶器件的三電平FCBC，移相載波頻率ωc=100 kHz ，源邊電壓VD=100 V ，輸出電壓vo=40 V，飛跨電容Cf=40 μF ，電感L=500 μH，負載電阻R=50 Ω，負載電容Co=47 μF。設故障發生時刻為100 μs，不同故障的仿真波形如圖3所示。

圖3 模擬不同故障的三電平FCBC 仿真時域波形Fig.3 Simulated time-domain waveforms of 3-level FCBC under different faults

2.1 診斷故障類型

根據相移載波調制，變換器具有4種開關序列，即S1S2通過排列組合有4 種情況：00、01、10、11。將這4 種開關序列代入式（3），有：VD/2(0+0)-vo，VD/2(0+1)-vo，VD/2(1+0)-vo，VD/2(1+1)-vo，則vL會出現3 種電平，分別表示為：A=vL(1)=VD-vo，B=vL(2)=VD/2-vo，C=vL(3)=-vo。將這3 種電平轉換成3 組數字量，對應關系如表1 所示。則單位下三角矩陣Q為

表1 模擬量與數字量的對應關系Tab.1 Correspondence between analog and digital quantities

表2 在正常和各種故障情況下，開關函數Sk 與數字量SL(n)的關系Tab.2 Correspondence between switching function Sk and digital quantity SL(n) under normal and various fault conditions

如果發生故障，4 種開關序列對應的4 個電感電壓中，將會有特定的2個電感電壓受到故障的影響而發生改變，偏離了正常值，從而導致特定的2組數字量SL(n)的改變。

如果發生短路故障，那么短路故障使數字量SL(n)特定位置的元素由0 變成1，不再滿足式（6），而有H-h=2。如果發生開路故障，那么開路故障使數字量SL(n)特定位置的元素由1 變成0，不再滿足式（6），而有H-h=0。

實時采集H、h的信息，當不滿足式（6）時，診斷出故障。當H-h= 2 時，診斷為短路故障；當Hh=0時，診斷為開路故障，實現了故障類型的診斷。

2.2 故障定位

根據移相載波的特性，開關函數Sk的每次變化，只會改變開關函數中的一個元素，因此可以通過檢測故障識別前后的開關函數實現故障的定位。假設在to時刻檢測識別出故障，記錄開關函數Sk(to)和上一個開關函數Sk(x)，以S1為例，參考表3所示的真值表，作異或比較，即P=Sk(to)⊕Sk(x)。若P=10，則定位于單元1；若P=01，則定位于單元2。

表3 S1(to)和S1(x)的真值表Tab.3 Truth table for S1(to) and S1(x)

圖4 故障識別和定位Fig.4 Fault identification and location

如果單元1發生開路故障，在to時刻檢測識別故障，則開關函數Sk(to)=S1(to)S2(to)=10，上一個開關函數Sk(x)=S1(x)S2(x)=00，異或比較結果P=10。同理得，如果單元2發生開路故障，Sk(to)=S1(to)S2(to)=01，Sk(x)=S1(x)S2(x)=00，異或比較結果P= 01；如果單元1 發生短路故障，Sk(to)=S1(to)S2(to)=00，Sk(x)=S1(x)S2(x)=10，異或比較結果P=10；如果單元2發生短路故障，Sk(to)=S1(to)S2(to)=00，Sk(x)=S1(x)S2(x)=01，異或比較結果P=01。

2.3 故障診斷算法

圖5 為故障診斷算法。圖5（a）展示了變換器從正常運行-故障發生-故障檢測-故障識別和定位的開關函數流程，橫軸代表開關函數的變化。假設故障發生在開關函數Sk(t1)和Sk(t2)之間，則發現故障標志F（H-h，單元k）在開關函數Sk(t1)中，定位于復平面的（1，0）位置處。在隨后的開關函數Sk(tn)中發現，通常F 將會出現在圖5（b）標注的故障識別、定位的區域中，從而能夠快速精準地識別故障并定位。通常在10 μs內可實現故障識別和定位。

圖5 故障診斷算法Fig.5 Fault diagnosis algorithm

3 實驗分析

為了驗證所提出的故障檢測策略，設計并搭建了一個基于Si MOSFET 的三電平FCBC 實驗平臺。控制器選擇FPGA（Artix-7 100T AX7102），Si功率開關器件選擇英飛凌的IRFP4110PbF，源邊電壓VD=25 V，輸出電壓vo=8 V，飛跨電容Co=47 μF，電感L=500 μH ，負載電阻R=50 Ω ，負載電容Co=47 μF，開關頻率ωc=100 kHz。

設故障發生時刻為20 μs，在4 種故障下測得S1、S2和vL的波形如圖6所示。圖7為使用不同形狀校準故障發生后故障標志F 在復平面的坐標變化，各形狀中的數字代表開關函數的變化步驟。假設故障發生在步驟1 和2 之間。當單元1 開路時，發現F 在步驟1、2、3時都定位于坐標（1，0）處，F在步驟4時定位于坐標（0，1）；當單元2開路時，發現F在步驟1 時定位于坐標（1，0）處，F 在步驟2 時定位于坐標（0，2）；當單元1 短路時，發現F 在步驟1 時定位于坐標（1，0）處，F 在步驟1 時定位于坐標（2，1），代表著故障發生的同時識別和定位故障；當單元2短路時，發現F在步驟1、2時都定位于坐標（1，0）處，F在步驟3時定位于坐標（2，2）。實驗結果與圖5的分析相一致，因此實現了故障的快速識別和定位，總的診斷時間在10 μs以內。

圖6 在4 種故障下測得的S1、S2 和vL 波形Fig.6 S1，S2 and vL waveforms measured under four different faults

圖7 故障標志F 在復平面上的變化Fig.7 Changes in fault sign F on the complex plane

4 結 語

本文提出了一種用于檢測、識別和定位三電平FCBC中功率開關器件故障的新技術。通過連續分析電感器電壓和開關函數來識別故障類型和定位，仿真和實驗驗證了三電平FCBC功率開關器件故障檢測的新策略。功率開關器件故障的及時檢測對于多電平變換器的容錯運行至關重要，從而保證變換器的可靠性，提高系統的穩定性。