一種功率開(kāi)關(guān)管故障特征參數(shù)提取方法
【專(zhuān)利摘要】一種基于BOOST電路輸入輸出頻率特性的功率開(kāi)關(guān)管故障特征參數(shù)提取方法，通過(guò)向電路給定基準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)信號(hào)中添加一定頻率的正弦擾動(dòng)信號(hào)，并通過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓幅值可調(diào)驅(qū)動(dòng)模塊4調(diào)整功率開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電壓幅值使得功率開(kāi)關(guān)管進(jìn)入飽和區(qū)工作，將所測(cè)量的輸入電感電流，輸出直流電壓以及調(diào)制波信號(hào)經(jīng)過(guò)快速傅里葉分析模塊5以及電路輸入輸出頻率特性計(jì)算模塊6獲得當(dāng)前擾動(dòng)頻率下的電路輸入輸出頻率特性，利用所獲得電路輸入輸出頻率特性對(duì)功率開(kāi)關(guān)管等效導(dǎo)通電阻變化情況進(jìn)行評(píng)估，并以此作為功率開(kāi)關(guān)管故障特征參數(shù)。本發(fā)明所提出的故障特征參數(shù)提取方法，具有電路檢測(cè)點(diǎn)少，可靠性高等突出優(yōu)點(diǎn)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】一種功率開(kāi)關(guān)管故障特征參數(shù)提取方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于BOOST電路輸入輸出頻率特性的功率開(kāi)關(guān)管故障特征參數(shù)提取方法，用來(lái)實(shí)現(xiàn)BOOST電路功率開(kāi)關(guān)管故障特征參數(shù)提取，為實(shí)現(xiàn)BOOST電路功率開(kāi)關(guān)管故障診斷及故障預(yù)測(cè)提供重要的技術(shù)基礎(chǔ)。
技術(shù)背景 [0002]電力電子電路作為二次電源變換的關(guān)鍵設(shè)備，承擔(dān)著向負(fù)載及用電設(shè)備供電的重要任務(wù)。功率開(kāi)關(guān)管如功率MOSFET和IGBT，因其具有高開(kāi)關(guān)頻率，電壓控制功耗低，控制驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，廣泛應(yīng)用在各種功率等級(jí)下的電力電子電路中。隨著電力電子電路及裝置的廣泛應(yīng)用，特別是在一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合，如航空航天領(lǐng)域，大功率電力電子變換領(lǐng)域等，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力電子電路核心器件一功率開(kāi)關(guān)管的故障診斷及故障預(yù)測(cè)是提高電力電子系統(tǒng)可靠性的一個(gè)重要手段。作為功率開(kāi)關(guān)管故障診斷及故障預(yù)測(cè)的重要技術(shù)基礎(chǔ)，研究針對(duì)功率開(kāi)關(guān)管故障特征參數(shù)提取技術(shù)具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。
[0003]功率開(kāi)關(guān)器件衰退情況一般可根據(jù)功率開(kāi)關(guān)器件等效導(dǎo)通電阻的變化情況進(jìn)行評(píng)估，即可將功率開(kāi)關(guān)等效導(dǎo)通電阻作為功率開(kāi)關(guān)器件故障特征參數(shù)。當(dāng)功率開(kāi)關(guān)特性衰退越嚴(yán)重，其等效導(dǎo)通電阻增大越明顯。一般情況下，電力電子電路中高頻工作的功率開(kāi)關(guān)管均工作在非飽和區(qū)(可調(diào)電阻區(qū))。在這個(gè)區(qū)域里，功率開(kāi)關(guān)管等效導(dǎo)通電阻很小且通常為毫歐級(jí)，從而有利于減少功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通損耗。在這種情況下，當(dāng)功率開(kāi)關(guān)管發(fā)生衰退時(shí)，其等效導(dǎo)通電阻增大對(duì)于電力電子電路時(shí)域輸入或輸出特性所產(chǎn)生的影響比較微小，故難以在時(shí)域內(nèi)利用電路常規(guī)檢測(cè)點(diǎn)(如輸出電壓、輸入電感電流等)對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)。因此，為了較為精確的獲得功率開(kāi)關(guān)器件等效電阻變化情況，一般需要在原有電力電子電路檢測(cè)點(diǎn)的基礎(chǔ)上增加額外檢測(cè)點(diǎn)，如測(cè)量功率開(kāi)關(guān)管兩端電壓降、功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通電流等。在這種情況下，過(guò)多檢測(cè)點(diǎn)的引入將顯著增加原有電力電子電路系統(tǒng)的復(fù)雜性以及成本，同時(shí)亦不可避免降低了原有電路的可靠性。因此，希望能有一種方法，在不增加并利用原有系統(tǒng)檢測(cè)點(diǎn)的基礎(chǔ)上，獲得可反映功率開(kāi)關(guān)管等效導(dǎo)通電阻變化情況的電路故障特征，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)功率開(kāi)關(guān)管故障特征參數(shù)的提取。

【發(fā)明內(nèi)容】
:
[0004]本發(fā)明以BOOST電力電子電路中功率開(kāi)關(guān)管故障特征參數(shù)提取為研究目標(biāo)，旨在為實(shí)現(xiàn)對(duì)功率開(kāi)關(guān)管故障特征參數(shù)提取提供一種新型技術(shù)方案。這種方案通過(guò)調(diào)整功率開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電壓幅值使得功率開(kāi)關(guān)管工作區(qū)域由通常情況下的非飽和區(qū)(可調(diào)電阻區(qū))轉(zhuǎn)向飽和區(qū)(線(xiàn)性放大區(qū)或恒流區(qū))，從而突出功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通電阻衰變情況。同時(shí)利用BOOST電路現(xiàn)有檢測(cè)點(diǎn)(輸出電壓檢測(cè)、輸入電感電流檢測(cè))，對(duì)BOOST電路輸出電壓和輸入電感電流進(jìn)行檢測(cè)，并經(jīng)過(guò)快速傅里葉分析模塊與電路輸入輸出頻率特性計(jì)算模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)BOOST電路輸入頻率特性(BOOST電路調(diào)制波到輸入電感電流傳遞函數(shù)的幅頻特性)和輸出頻率特性(BOOST電路調(diào)制波到輸出電壓傳遞函數(shù)的幅頻特性)的測(cè)量，從而獲得功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通電阻對(duì)于BOOST電路輸入輸出頻率特性影響情況，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)BOOST電路中功率開(kāi)關(guān)管故障特征參數(shù)的提取。本技術(shù)方案在不增加電路檢測(cè)點(diǎn)以及系統(tǒng)復(fù)雜性的前提下，能很好的實(shí)現(xiàn)對(duì)功率開(kāi)關(guān)管故障特征參數(shù)的提取，并確保系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。
[0005]本發(fā)明的一種基于BOOST電路輸入輸出頻率特性的功率開(kāi)關(guān)管故障特征參數(shù)提取方法，包括常規(guī)BOOST電路及其直流負(fù)載1、1個(gè)用于輸入電感電流誤差調(diào)節(jié)的比例積分調(diào)節(jié)器(PI調(diào)節(jié)器)2、I個(gè)PWM信號(hào)生成單元3、I個(gè)具有驅(qū)動(dòng)電壓幅值可調(diào)的功率開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊4、I個(gè)快速傅里葉(FFT)分析模塊5以及BOOST電路輸入輸出頻率特性計(jì)算模塊6。該故障特征參數(shù)提取方案主要實(shí)施過(guò)程描述如下:首先在BOOST電路電流基準(zhǔn)信號(hào)Iref中
添加一定頻率的正弦擾動(dòng)信號(hào)iref.，然后將boost電路的輸入電感電流Iin+iin與給定參考信
號(hào)W +iref進(jìn)行比較，比較后產(chǎn)生的誤差信號(hào)Ue+Cle送給比例積分調(diào)節(jié)器(PI調(diào)節(jié)器)2，PI調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)即為BOOST電路調(diào)制波UnrHQm，將該調(diào)制波11?1+0?1與載波信號(hào)進(jìn)入PWM信號(hào)生成單元3產(chǎn)生PWM高頻脈沖信號(hào)，PWM高頻脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓幅值可調(diào)的驅(qū)動(dòng)模塊4產(chǎn)生BOOST電路功率開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，同時(shí)通過(guò)調(diào)整驅(qū)動(dòng)電壓幅值使得功率開(kāi)關(guān)管進(jìn)
入飽和區(qū)(線(xiàn)性放大區(qū)或恒流區(qū))工作。將所測(cè)量的輸入電感電流iin+iin，輸出直流電壓
11。+知以及調(diào)制波信號(hào)1^+^^送入快速傅里葉(FFT)分析模塊5以及電路輸入輸出頻率特性計(jì)算模塊6最終獲得當(dāng)前擾動(dòng)頻率下的電路輸入輸出頻率特性。更改擾動(dòng)頻率并重復(fù)上述過(guò)程，最終可獲得一段頻率區(qū)間內(nèi)BOOST電路輸入輸出頻率特性曲線(xiàn)。根據(jù)所獲得的頻率曲線(xiàn)可評(píng)估功率開(kāi)關(guān)管等效導(dǎo)通電阻變化情況，從而進(jìn)一步完成對(duì)BOOST電路功率開(kāi)關(guān)管故障特征參數(shù)的提取。
[0006]本發(fā)明所提出的基于BOOST電路功率開(kāi)關(guān)管故障特征參數(shù)提取方法有如下突出優(yōu)點(diǎn):
[0007]通常情況下，實(shí)現(xiàn)對(duì)BOOST電路閉環(huán)工作控制均需要輸入電感電流檢測(cè)和輸出直流電壓檢測(cè)，因此本發(fā)明在沒(méi)有增加電路額外檢測(cè)點(diǎn)基礎(chǔ)上，通過(guò)利用電路現(xiàn)有檢測(cè)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)功率開(kāi)關(guān)管的故障特征參數(shù)提取。檢測(cè)點(diǎn)的減少不僅簡(jiǎn)化了電路整體結(jié)構(gòu)，降低了系統(tǒng)成本，同時(shí)可有效避免過(guò)多檢測(cè)點(diǎn)的引入導(dǎo)致電路可靠性下降等影響。
[0008]本發(fā)明所提出的基于BOOST電路功率開(kāi)關(guān)管故障特征參數(shù)提取方法，具有電路檢測(cè)點(diǎn)少、系統(tǒng)可靠性高等突出優(yōu)點(diǎn)，并為功率管故障診斷和故障預(yù)測(cè)技術(shù)提供了重要的技術(shù)基礎(chǔ)。此外，本發(fā)明所提出的技術(shù)方案可推廣至BUCK電路等其他電力電子基本電路。
【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】[0009]圖1是本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)框圖。
[0010]圖1中的標(biāo)號(hào)名稱(chēng):1—BOOST基本電路單元及直流負(fù)載；2——比例積分調(diào)節(jié)器
單元(PI調(diào)節(jié)器)；3—PWM信號(hào)產(chǎn)生單元；4——驅(qū)動(dòng)電壓幅值可調(diào)驅(qū)動(dòng)模塊單元；5--決
速傅里葉(FFT)分析模塊單元；6——電路輸入輸出頻率特性計(jì)算單元。
[0011]圖1中的主要符號(hào)名稱(chēng):Uin——輸入直流電源電壓穩(wěn)態(tài)值，Iin-BOOST電路輸入
電感電流穩(wěn)態(tài)值，iin——BOOST電路輸入電感電流中擾動(dòng)分量，L——BOOST電路輸入濾波電感，S——功率開(kāi)關(guān)管，D — BOOST電路續(xù)流二極管，Rs——功率開(kāi)關(guān)管等效導(dǎo)通電阻，R0——輸出直流負(fù)載電阻，Cf——輸出濾波電容，Iref——電感電流基準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)值，Ief——電感電流基準(zhǔn)中正弦擾動(dòng)分量，U0——BOOST電路輸出電壓采樣穩(wěn)態(tài)值，?。一BOOST電路輸出電壓采樣中擾動(dòng)分量，ue—誤差信號(hào)穩(wěn)態(tài)值，ae—誤差信號(hào)中擾動(dòng)分量，Uffl—比例積分調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)(調(diào)制波信號(hào))穩(wěn)態(tài)值，——比例積分調(diào)節(jié)器輸出信號(hào)中擾動(dòng)分量。
[0012]圖2 (a)、(b)、(c)、(d)是本發(fā)明對(duì)于BOOST電路功率開(kāi)關(guān)管故障特征參數(shù)提取技術(shù)的數(shù)值仿真結(jié)果示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013]下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述:本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了實(shí)施方式和操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。
[0014]圖1所示的是本發(fā)明提出的一種基于BOOST電路輸入輸出頻率特性的功率開(kāi)關(guān)管故障特征參數(shù)提取方法的整體結(jié)構(gòu)框圖，包括基于高頻功率開(kāi)關(guān)的BOOST電路及直流負(fù)載
1、1個(gè)用于電流誤差調(diào)節(jié)的比例積分調(diào)節(jié)器(PI調(diào)節(jié)器)2、1個(gè)PWM信號(hào)生成單元3、1個(gè)具有驅(qū)動(dòng)電壓幅值可調(diào)的功率開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)模塊4、1個(gè)快速傅里葉(FFT)分析模塊5以及BOOST電路輸入輸出頻率特性計(jì)算模塊6。首先在BOOST電路電流基準(zhǔn)信號(hào)Iref中添加一定頻率
的正弦擾動(dòng)信號(hào)iref，然后將boost電路的輸入電感電流lin+iin%給定參考信號(hào)Iref+iraf進(jìn)
行比較，比較后輸出的誤差信號(hào)ue+iie送給比例積分調(diào)節(jié)器(PI調(diào)節(jié)器)2，調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)1^+ 作為調(diào)制波并與載波信 號(hào)一同進(jìn)入PWM信號(hào)生成單元3產(chǎn)生PWM高頻脈沖信號(hào)。該P(yáng)WM高頻脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓幅值可調(diào)的驅(qū)動(dòng)單元4最終生成控制功率開(kāi)關(guān)通斷的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，同時(shí)通過(guò)調(diào)整驅(qū)動(dòng)電壓幅值，使得功率開(kāi)關(guān)管進(jìn)入飽和區(qū)(線(xiàn)性放大區(qū)或恒流區(qū))
工作。將所測(cè)量的含有正弦擾 動(dòng)分量的輸入電感電流Iin+iin，輸出直流電壓U。+^。以及調(diào)制
波信號(hào)Um+iim同時(shí)送入快速傅里葉(FFT)分析模塊5從而獲得各信號(hào)所對(duì)應(yīng)擾動(dòng)頻率下的幅值信息。最后通過(guò)輸入輸出頻率特性計(jì)算模塊6，獲得對(duì)應(yīng)擾動(dòng)頻率下的BOOST電路調(diào)制波到輸入電感電流傳遞函數(shù)的幅頻特性(輸入頻率特性)以及調(diào)制波到輸出電壓傳遞函數(shù)的幅頻特性(輸出頻率特性)。其中，BOOST電路輸入頻率與輸出頻率特性計(jì)算公式如下:
【權(quán)利要求】
1.一種基于BOOST電路輸入輸出頻率特性的功率開(kāi)關(guān)管故障特征參數(shù)提取方法，其特征在于，包括基于高頻功率開(kāi)關(guān)的BOOST電路及直流負(fù)載(I)、1個(gè)用于電流誤差調(diào)節(jié)的比例積分調(diào)節(jié)器(2)、1個(gè)PWM信號(hào)生成單元(3)、1個(gè)具有驅(qū)動(dòng)電壓幅值可調(diào)的功率開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)模塊(4)、I個(gè)快速傅里葉分析模塊(5)以及BOOST電路輸入輸出頻率特性計(jì)算模塊(6)；首先在BOOST電路電流基準(zhǔn)信號(hào)穩(wěn)態(tài)值Iref中添加一定頻率的正弦擾動(dòng)信號(hào)，然后將boost電路的輸入電感電流lin+iin%給定參考信號(hào)Iraf進(jìn)行比較，比較后輸出的誤差信號(hào)Ue+iie送入比例積分調(diào)節(jié)器(2)，調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)Um+ Cim作為調(diào)制波并與載波信號(hào)一同進(jìn)入PWM信號(hào)生成單元(3)產(chǎn)生PWM高頻脈沖信號(hào)；該P(yáng)WM高頻脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電壓幅值可調(diào)的驅(qū)動(dòng)單元(4)最終生成控制功率開(kāi)關(guān)通斷的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，同時(shí)通過(guò)調(diào)整驅(qū)動(dòng)電壓幅值，使得功率開(kāi)關(guān)管進(jìn)入飽和區(qū)工作；將所測(cè)量的含有正弦擾動(dòng)分量的輸入電感電流Iin+iin，輸出直流電壓U。+!!。以及調(diào)制波信號(hào)Um+iim同時(shí)送入快速傅里葉分析模塊⑶從而獲得各信號(hào)所對(duì)應(yīng)擾動(dòng)頻率下的幅值信息；最后通過(guò)輸入輸出頻率特性計(jì)算模塊(6)，獲得對(duì)應(yīng)擾動(dòng)頻率下的BOOST電路調(diào)制波到輸入電感電流傳遞函數(shù)的幅頻特性以及調(diào)制波到輸出電壓傳遞函數(shù)的幅頻特性；更改擾動(dòng)頻率并重復(fù)上述過(guò)程，最終可獲得一段頻率區(qū)間內(nèi)BOOST電路調(diào)制波到輸入電感電流傳遞函數(shù)的幅頻特性以及調(diào)制波到輸出電壓傳遞函數(shù)的幅頻特性；根據(jù)所獲得的一段頻率區(qū)間內(nèi)的BOOST電路輸入輸出頻率特性,可間接對(duì)功率開(kāi)關(guān)管等效導(dǎo)通電阻變化情況進(jìn)行評(píng)估，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)BOOST電路中功率開(kāi)關(guān)管故障特征參數(shù)的提取。.
【文檔編號(hào)】G01R27/08GK103472381SQ201310446198
【公開(kāi)日】2013年12月25日 申請(qǐng)日期:2013年9月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月27日
【發(fā)明者】韋徵, 龔春英, 任磊, 陳杰 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)