本發(fā)明屬于大功率模塊化直流變換器技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于磁性元件電壓的模塊化dc-dc變換器故障診斷裝置及方法。

背景技術(shù)：

近年來(lái)，模塊化dc-dc變換(directcurrent-directcurrentconversion)器因其靈活性和可擴(kuò)展性被廣泛應(yīng)用于大功率功率變換場(chǎng)合，通過(guò)對(duì)基礎(chǔ)模塊不同方式的組合可以滿足各種應(yīng)用需求。當(dāng)單一模塊出現(xiàn)故障時(shí)，如果不及時(shí)處理會(huì)造成整個(gè)系統(tǒng)失靈。為預(yù)防這種情況的發(fā)生，需要找到一種快速有效的故障診斷方法，及時(shí)檢測(cè)到故障的發(fā)生以采取必要的容錯(cuò)措施。在實(shí)際工作中，相對(duì)于控制和驅(qū)動(dòng)電路，主電路更容易發(fā)生故障，電力電子變換器最常見(jiàn)的故障是開(kāi)關(guān)管故障，主要包括開(kāi)路和短路故障?，F(xiàn)有的針對(duì)模塊化dc-dc變換器的診斷技術(shù)主要是針對(duì)單個(gè)dc-dc變換器而言的。

現(xiàn)有技術(shù)對(duì)于單個(gè)dc-dc變換器的開(kāi)關(guān)管故障診斷包括兩個(gè)方向：以控制變量作為診斷依據(jù)或以電路特征量作為診斷依據(jù)；以控制變量為依據(jù)進(jìn)行診斷，無(wú)需增加額外的成本，但診斷速度慢；應(yīng)用到模塊化系統(tǒng)中時(shí)，由于用于診斷的控制量較多，為保證速度對(duì)控制器的計(jì)算速度要求較高，需要使用昂貴的控制單元；以電路特征量如近場(chǎng)信號(hào)作為診斷依據(jù)時(shí)，雖然診斷速度快，但需在dc-dc變換器中添加大量額外的傳感器，增加了成本。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種基于磁性元件電壓的模塊化dc-dc變換器故障診斷裝置及方法，其目的在于提高dc-dc變換器故障診斷速度和準(zhǔn)確度。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種基于磁性元件電壓的模塊化dc-dc變換器故障診斷裝置，包括多個(gè)信號(hào)處理電路與一個(gè)故障診斷電路；信號(hào)處理電路的數(shù)量與待診斷模塊化dc-dc變換器的模塊數(shù)相同；

信號(hào)處理電路的輸入端用于接入模塊化dc-dc變換器的磁性元件電壓信號(hào)，輸出端與故障診斷電路的輸入端相連；通過(guò)故障診斷電路的輸出端輸出故障指示信號(hào)；

信號(hào)處理電路用于對(duì)磁性元件電壓信號(hào)進(jìn)行濾波整形；故障診斷電路用于對(duì)濾波整形后的磁性元件電壓信號(hào)進(jìn)行邏輯轉(zhuǎn)換以及比較，根據(jù)比較結(jié)果輸出故障指示信號(hào)。

優(yōu)選的，上述模塊化dc-dc變換器故障診斷裝置，其信號(hào)處理電路包括調(diào)理電路和電壓比較器；其中，調(diào)理電路的輸入端作為信號(hào)處理電路的輸入端，電壓比較器的輸入端與調(diào)理電路的輸出端相連，電壓比較器的輸出端作為信號(hào)處理電路的輸出端；

調(diào)理電路用于對(duì)磁性元件電壓進(jìn)行濾波整形，電壓比較器用于把濾波整形后的磁性元件電壓轉(zhuǎn)換為邏輯信號(hào)。

優(yōu)選的，上述模塊化dc-dc變換器故障診斷裝置，其調(diào)理電路包括兩個(gè)級(jí)聯(lián)的反向放大電路；

其中一個(gè)反向放大電路包括第一運(yùn)算放大器n1、第一電阻r1、第二電r2和第一濾波電容c；第一運(yùn)算放大器n1的輸入正端與第一電阻r1的一端相連，第一電阻r1的另一端用于連接磁性元件電壓信號(hào)vi的正端；第一運(yùn)算放大器n1的輸入負(fù)端用于連接磁性元件電壓信號(hào)vi的負(fù)端；第一運(yùn)算放大器n1的輸入正端與第一運(yùn)算放大器n1的輸出端之間并聯(lián)有第二電r2和第一濾波電容c；

另一個(gè)反向放大電路包括第二運(yùn)算放大器n2、第三電阻r3、第四電r4；第二運(yùn)算放大器n2的輸入正端接地，第二運(yùn)算放大器n2的輸入負(fù)端與第一運(yùn)算放大器n1的輸出端之間串聯(lián)有第三電阻r3，第二運(yùn)算放大器n2的輸入負(fù)端與第二運(yùn)算放大器n2的輸出端之間并聯(lián)有第四電阻r4。

優(yōu)選的，上述模塊化dc-dc變換器故障診斷裝置，其故障診斷電路包括延時(shí)電路、整形電路、同或門電路和鎖存器電路；

延時(shí)電路的輸入端作為故障診斷電路的輸入端、整形電路的輸入端與延時(shí)電路的輸出端相連；同或門電路的輸入端與電壓比較器的輸出端相連；鎖存器電路的輸入端與同或門的輸出端相連，鎖存器的輸出端作為故障診斷電路的輸出端；

其中，延時(shí)電路用于對(duì)模塊化dc-dc變換器的dc-dc變換模塊對(duì)應(yīng)的邏輯信號(hào)進(jìn)行延時(shí)調(diào)節(jié)；整形電路用于將延時(shí)電路的輸出信號(hào)整形成標(biāo)準(zhǔn)的脈沖信號(hào)；同或門電路用于對(duì)dc-dc變換模塊所對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號(hào)進(jìn)行兩兩比較；鎖存器電路用于保存同或門電路輸出的信號(hào)，作為模塊化dc-dc變換器是否出現(xiàn)故障以及對(duì)故障進(jìn)行定位的故障指示信號(hào)。

按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種基于磁性元件電壓的模塊化dc-dc變換器故障診斷方法，將模塊化dc-dc變換器內(nèi)各dc-dc變換模塊的磁性元件電壓轉(zhuǎn)換為邏輯信號(hào)后采用邏輯門進(jìn)行比較，將比較結(jié)果進(jìn)行鎖存后作為故障指示信號(hào)。

優(yōu)選地，上述基于磁性元件電壓的模塊化dc-dc變換器故障診斷方法，通過(guò)在各dc-dc變換模塊的磁性元件磁芯上增加輔助繞組，獲得按比例縮小的磁性元件電壓信號(hào)。

優(yōu)選地，上述基于磁性元件電壓的模塊化dc-dc變換器故障診斷方法，故障診斷電路的輸出作為模塊化系統(tǒng)是否出現(xiàn)故障以及對(duì)故障進(jìn)行定位的標(biāo)志；

當(dāng)故障指示信號(hào)為高電平組合，指示模塊化dc-dc變換器在正常狀態(tài)下；當(dāng)故障指示信號(hào)為高、低電平組合，則判定模塊化dc-dc變換器發(fā)生故障。

優(yōu)選的，上述基于磁性元件電壓的模塊化dc-dc變換器故障診斷方法，采用以下轉(zhuǎn)換式將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為邏輯信號(hào)：

其中，vth是邏輯轉(zhuǎn)換閾值電壓，smi是邏輯信號(hào)，vmi是磁性元件電壓。

總體而言，通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有益效果：

(1)本發(fā)明提供的基于磁性元件電壓的模塊化dc-dc變換器故障診斷裝置，易于集成，體積小，成本低，無(wú)需復(fù)雜控制算法；

(2)本發(fā)明提供的基于磁性元件電壓的模塊化dc-dc變換器故障診斷方法，通過(guò)在dc-dc變換模塊的磁芯上添加輔助繞組即可獲得磁性元件電壓，不用增加昂貴的傳感器，降低了測(cè)試復(fù)雜度、降低了故障診斷的成本；

(3)本發(fā)明提供的基于磁性元件電壓的模塊化dc-dc變換器故障診斷裝置及方法，由于不依賴于固定的故障門限值，而是通過(guò)比對(duì)模塊化dc-dc變換器內(nèi)dc-dc變換模塊磁性元件電壓時(shí)序的一致性來(lái)判斷并定位故障，因此在寬輸入電壓范圍下能保證診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性，可靠性高；

(4)本發(fā)明提供的基于磁性元件電壓的模塊化dc-dc變換器故障診斷裝置及方法，由于磁性元件電壓的形狀將在故障發(fā)生后立刻發(fā)生變化，因此可以在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)檢測(cè)到故障，診斷速度快。

附圖說(shuō)明

圖1是實(shí)施例中在磁性元件上添加輔助繞組的示意圖；

圖2為實(shí)施例中磁性元件電壓調(diào)理電路；

圖3為實(shí)施例中以三模塊dc-dc變換器為例的故障診斷電路示意圖；

圖4是實(shí)施例中模擬模塊2開(kāi)關(guān)管發(fā)生開(kāi)路故障后的測(cè)試波形；

圖5是實(shí)施例中模擬模塊2開(kāi)關(guān)管發(fā)生短路故障后的測(cè)試波形。

在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來(lái)表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中：1-調(diào)理電路、2-電壓比較器、3-延時(shí)電路、4-整形電路、5-同或門電路、6-鎖存器電路。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

本發(fā)明提供的基于磁性元件電壓的模塊化dc-dc變換器故障診斷方法以磁性元件電壓為診斷依據(jù)，譬如電感電壓或變壓器原邊電壓；在實(shí)施例中如圖1所示在模塊化dc-dc變換器的dc-dc變換模塊的磁性元件磁芯上增加輔助繞組，由此獲得按比例縮小的磁性元件電壓信號(hào)vi，縮放比例根據(jù)磁性元件的原始繞組與輔助繞組的匝比確定；將磁性元件電壓信號(hào)vi送到基于磁性元件電壓的模塊化dc-dc變換器故障診斷裝置進(jìn)行故障的識(shí)別。

以下結(jié)合對(duì)三模塊dc-dc變換器系統(tǒng)的進(jìn)行故障診斷的實(shí)施例，具體闡述本發(fā)明提供的基于磁性元件電壓的模塊化dc-dc變換器故障診斷裝置及方法；本實(shí)施例中，診斷裝置主要包括三個(gè)如圖2所示的信號(hào)處理電路與一個(gè)如圖3所示的故障診斷電路；每個(gè)dc-dc變換模塊的磁性電壓信號(hào)對(duì)應(yīng)一個(gè)信號(hào)處理電路，故障診斷電路具有3個(gè)輸入端，每個(gè)輸入端對(duì)應(yīng)連接一個(gè)信號(hào)處理電路的輸出端；故障診斷電路的輸出作為模塊化dc-dc變換器是否出現(xiàn)故障以及對(duì)故障進(jìn)行定位的標(biāo)志。

本實(shí)施例中，信號(hào)處理電路包括依次相連的調(diào)理電路1和電壓比較器2；如圖2所示，調(diào)理電路1由兩個(gè)反向放大電路級(jí)聯(lián)構(gòu)成，其中一個(gè)反向放大電路包括運(yùn)算放大器n1、電阻r1、r2、濾波電容c；運(yùn)算放大器n1的輸入正端與電阻r1的一端相連，電阻r1的另一端用于連接磁性元件電壓信號(hào)vi的正端；運(yùn)算放大器n1的輸入負(fù)端用于連接磁性元件電壓信號(hào)vi的負(fù)端；運(yùn)算放大器n1的輸入正端與運(yùn)算放大器n1的輸出端之間并聯(lián)有電阻r2和濾波電容c；

另一個(gè)反向放大電路包括運(yùn)算放大器n2、電阻r3、r4；運(yùn)算放大器n2的輸入正端接地，運(yùn)算放大器n2的輸入負(fù)端與運(yùn)算放大器n1的輸出端之間串聯(lián)有電阻r3，運(yùn)算放大器n2的輸入負(fù)端與運(yùn)算放大器n2的輸出端之間并聯(lián)有電阻r4；運(yùn)算放大器的放大倍數(shù)可以通過(guò)改變r(jià)1、r2、r3、r4阻值進(jìn)行調(diào)節(jié)，電容c對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行濾波。

調(diào)理電路輸出連接電壓比較器2；電壓比較器2包括運(yùn)算放大器n3，運(yùn)算放大器n3的輸入正端與運(yùn)算放大器n2的輸出端相連，輸出負(fù)端用于輸入邏輯轉(zhuǎn)換閾值電壓信號(hào)vth，運(yùn)算放大器n3的輸出端作為連接電壓比較器2的輸出端，輸出邏輯信號(hào)smi。

如圖3所示，本實(shí)施例的故障診斷電路，故障診斷電路包括依次相連的延時(shí)電路3、整形電路4、同或門電路5和鎖存器電路6；

延時(shí)電路3的3個(gè)輸入端分別與三個(gè)信號(hào)處理電路的輸出端相連；延時(shí)電路3包括3個(gè)延時(shí)模塊，每個(gè)延時(shí)模塊包括兩條并聯(lián)的二極管串聯(lián)滑動(dòng)變阻器支路和電容；譬如，第一個(gè)延時(shí)模塊包括d1、r5、d2、r6、c1；其中，d1、r5串聯(lián)構(gòu)成一條二極管串聯(lián)滑動(dòng)變阻器支路，d2、r6串聯(lián)構(gòu)成另一條二極管串聯(lián)滑動(dòng)變阻器支路；

整形電路4的3個(gè)輸入端分別與延時(shí)電路3的3個(gè)輸出端相連；整形電路4包括并列的電壓比較器n1、n2、n3，電壓比較器n1、n2、n3的輸入正端分別作為整形電路4的輸入端用于與延時(shí)電路3的3個(gè)輸出端相連，輸入負(fù)端用于輸入標(biāo)準(zhǔn)脈沖閾值電壓信號(hào)vth1；

同或門電路5包括同或門n4、n5、n6；電壓比較器n1、n2、n3的輸出端兩兩一組作為同或門電路5的輸入；

接鎖存器電路6包括rs鎖存器n7、n8、n9、開(kāi)關(guān)s和電阻r11，rs鎖存器n7、n8、n9的s端分別與同或門n4、n5、n6的輸出相連；其中開(kāi)關(guān)s控制鎖存器工作，當(dāng)s閉合時(shí)，鎖存器鎖存輸入信號(hào)低電平；s關(guān)斷時(shí)，鎖存器不鎖存任何信號(hào)，而鎖存器的輸出fs1、fs2、fs3作為故障診斷裝置的故障診斷依據(jù)；

模塊化dc-dc變換器在正常工作狀態(tài)下，同或門均輸出高電平；模塊化dc-dc變換器在故障狀態(tài)下，輸入信號(hào)為故障模塊邏輯信號(hào)的同或門則輸出脈沖形狀的信號(hào)，無(wú)法正常指示故障情況，因此通過(guò)鎖存器將故障發(fā)生后的第一個(gè)低電平予以保存，作為相應(yīng)的故障指示信號(hào)。

以下結(jié)合實(shí)施例和附圖，具體闡述本發(fā)明的工作原理如下：

(1)dc-dc變換器系統(tǒng)的第i磁性元件電壓信號(hào)vi經(jīng)過(guò)如圖2所示的調(diào)理電路1進(jìn)行濾波和比例的調(diào)節(jié)，濾波后的電壓信號(hào)通過(guò)比較器電路2轉(zhuǎn)換為邏輯信號(hào)smi；

(2)dc-dc變換器系統(tǒng)的第i模塊的磁性元件電壓信號(hào)對(duì)應(yīng)邏輯信號(hào)smi；由于各個(gè)模塊開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通、關(guān)斷延時(shí)以及硬件延時(shí)的差異，各模塊的邏輯信號(hào)smi間存在不同步，若直接通過(guò)同或邏輯門進(jìn)行比較易造成誤診斷；采用延時(shí)電路3對(duì)dc-dc變換器系統(tǒng)的各模塊對(duì)應(yīng)的邏輯信號(hào)進(jìn)行延時(shí)調(diào)節(jié)，延時(shí)后的信號(hào)通過(guò)比較器4整形成標(biāo)準(zhǔn)的脈沖信號(hào)；通過(guò)調(diào)整延時(shí)電路3的滑阻的大小使得dc-dc變換器系統(tǒng)的各模塊在非故障狀態(tài)下進(jìn)入邏輯門進(jìn)行比較的信號(hào)smri保持同步，避免誤診斷；

(3)延時(shí)處理后的信號(hào)smri通過(guò)同或門電路5兩兩間進(jìn)行對(duì)比；正常工作狀態(tài)下，各路信號(hào)smri保持同步，同或門輸出fi保持為高電平；當(dāng)dc-dc變換器系統(tǒng)有模塊出現(xiàn)故障時(shí)，以故障模塊電壓邏輯信號(hào)為輸入的同或門輸出fi會(huì)出現(xiàn)高低電平變化的狀態(tài)，經(jīng)過(guò)rs鎖存器電路6鎖存其低電平狀態(tài)，將鎖存器輸出fsi作為故障診斷依據(jù)；fsi的取值指示了系統(tǒng)的工作狀態(tài)：系統(tǒng)正常工作時(shí)，所有診斷信號(hào)fsi保持為高電平；當(dāng)其中一個(gè)模塊故障時(shí)，該模塊對(duì)應(yīng)診斷信號(hào)fsi變?yōu)榈碗娖?，通過(guò)所有診斷信號(hào)的狀態(tài)組合實(shí)現(xiàn)對(duì)故障模塊進(jìn)行定位。

采用實(shí)施例提供的基于磁性元件電壓的模塊化dc-dc變換器故障診斷裝置對(duì)三模塊dc-dc變換器系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷的過(guò)程如下：

接入該診斷裝置后，系統(tǒng)上電，在額定工作電壓下調(diào)節(jié)延時(shí)電路3，使得正常狀態(tài)下同或門電路5的各輸出信號(hào)始終保持為高電平，避免誤診斷；調(diào)節(jié)好延時(shí)電路后，閉合鎖存器電路6中的開(kāi)關(guān)s，鎖存器開(kāi)始工作，診斷電路也進(jìn)入工作狀態(tài)；在三模塊dc-dc變換器系統(tǒng)的各模塊均正常工作時(shí)鎖存器電路6輸出的診斷信號(hào)保持為高。

圖4所示是模擬三模塊dc-dc變換器系統(tǒng)的模塊2的開(kāi)關(guān)管發(fā)生開(kāi)路故障的測(cè)試波形；當(dāng)開(kāi)關(guān)管開(kāi)路時(shí)，模塊2的磁性元件電壓邏輯信號(hào)sm2變?yōu)榈?，與其他正常模塊的邏輯信號(hào)sm1、sm3不再一致；以sm2為輸入的同或門輸出f1、f2會(huì)出現(xiàn)低電平，經(jīng)過(guò)鎖存器鎖存后，fs1、fs2變?yōu)榈碗娖?，指示故障的發(fā)生。

圖5所示是模擬三模塊dc-dc變換器系統(tǒng)的模塊2的開(kāi)關(guān)管發(fā)生短路故障的測(cè)試波形；當(dāng)開(kāi)關(guān)管短路時(shí)，模塊2的磁性元件電壓邏輯信號(hào)sm2變?yōu)楦?，以sm2為輸入的同或門輸出f1、f2出現(xiàn)低電平，經(jīng)過(guò)鎖存器鎖存后，fs1、fs2變?yōu)榈碗娖?，指示故障的發(fā)生；而由fs1、fs2、fs3電平狀態(tài)001的組合，可以確定模塊2發(fā)生故障；本實(shí)施例中，故障與診斷信號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系具體如下表所列；

故障與診斷信號(hào)對(duì)應(yīng)關(guān)系列表

故障診斷裝置的輸出信號(hào)fs1fs2fs3均為高電平時(shí)，表明三模塊dc-dc變換器系統(tǒng)的三個(gè)模塊均正常；當(dāng)輸出信號(hào)fs2為高電平、輸出信號(hào)fs1、fs3為低電平，指示三模塊dc-dc變換器系統(tǒng)的模塊1發(fā)生了故障；當(dāng)輸出信號(hào)fs3為高電平、輸出信號(hào)fs1、fs2為低電平，指示三模塊dc-dc變換器系統(tǒng)的模塊2發(fā)生了故障；當(dāng)輸出信號(hào)fs1為高電平、輸出信號(hào)fs2、fs3為低電平，指示三模塊dc-dc變換器系統(tǒng)的模塊3發(fā)生了故障。

從圖4與圖5可以看出本實(shí)施例提供的故障診斷裝置及方法，可以在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)檢測(cè)到故障的發(fā)生并對(duì)故障進(jìn)行定位，效果明顯。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。