一種功率開關管故障特征參數提取方法
【專利摘要】一種基于BOOST電路輸入輸出頻率特性的功率開關管故障特征參數提取方法，通過向電路給定基準穩態信號中添加一定頻率的正弦擾動信號，并通過驅動電壓幅值可調驅動模塊4調整功率開關管驅動電壓幅值使得功率開關管進入飽和區工作，將所測量的輸入電感電流，輸出直流電壓以及調制波信號經過快速傅里葉分析模塊5以及電路輸入輸出頻率特性計算模塊6獲得當前擾動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功率開關管等效導通電阻變化情況進行評估，并以此作為功率開關管故障特征參數。本發明所提出的故障特征參數提取方法，具有電路檢測點少，可靠性高等突出優點。
【專利說明】一種功率開關管故障特征參數提取方法【技術領域】
[0001]本發明涉及一種基于BOOST電路輸入輸出頻率特性的功率開關管故障特征參數提取方法，用來實現BOOST電路功率開關管故障特征參數提取，為實現BOOST電路功率開關管故障診斷及故障預測提供重要的技術基礎。
技術背景 [0002]電力電子電路作為二次電源變換的關鍵設備，承擔著向負載及用電設備供電的重要任務。功率開關管如功率MOSFET和IGBT，因其具有高開關頻率，電壓控制功耗低，控制驅動電路簡單，廣泛應用在各種功率等級下的電力電子電路中。隨著電力電子電路及裝置的廣泛應用，特別是在一些特殊的應用場合，如航空航天領域，大功率電力電子變換領域等，實現對電力電子電路核心器件一功率開關管的故障診斷及故障預測是提高電力電子系統可靠性的一個重要手段。作為功率開關管故障診斷及故障預測的重要技術基礎，研究針對功率開關管故障特征參數提取技術具有重要的理論意義和實用價值。
[0003]功率開關器件衰退情況一般可根據功率開關器件等效導通電阻的變化情況進行評估，即可將功率開關等效導通電阻作為功率開關器件故障特征參數。當功率開關特性衰退越嚴重，其等效導通電阻增大越明顯。一般情況下，電力電子電路中高頻工作的功率開關管均工作在非飽和區(可調電阻區)。在這個區域里，功率開關管等效導通電阻很小且通常為毫歐級，從而有利于減少功率開關管導通損耗。在這種情況下，當功率開關管發生衰退時，其等效導通電阻增大對于電力電子電路時域輸入或輸出特性所產生的影響比較微小，故難以在時域內利用電路常規檢測點(如輸出電壓、輸入電感電流等)對其進行檢測。因此，為了較為精確的獲得功率開關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點的基礎上增加額外檢測點，如測量功率開關管兩端電壓降、功率開關管導通電流等。在這種情況下，過多檢測點的引入將顯著增加原有電力電子電路系統的復雜性以及成本，同時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檢測點的基礎上，獲得可反映功率開關管等效導通電阻變化情況的電路故障特征，從而實現對功率開關管故障特征參數的提取。
【發明內容】
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[0004]本發明以BOOST電力電子電路中功率開關管故障特征參數提取為研究目標，旨在為實現對功率開關管故障特征參數提取提供一種新型技術方案。這種方案通過調整功率開關管驅動電壓幅值使得功率開關管工作區域由通常情況下的非飽和區(可調電阻區)轉向飽和區(線性放大區或恒流區)，從而突出功率開關管導通電阻衰變情況。同時利用BOOST電路現有檢測點(輸出電壓檢測、輸入電感電流檢測)，對BOOST電路輸出電壓和輸入電感電流進行檢測，并經過快速傅里葉分析模塊與電路輸入輸出頻率特性計算模塊實現對BOOST電路輸入頻率特性(BOOST電路調制波到輸入電感電流傳遞函數的幅頻特性)和輸出頻率特性(BOOST電路調制波到輸出電壓傳遞函數的幅頻特性)的測量，從而獲得功率開關管導通電阻對于BOOST電路輸入輸出頻率特性影響情況，最終實現對BOOST電路中功率開關管故障特征參數的提取。本技術方案在不增加電路檢測點以及系統復雜性的前提下，能很好的實現對功率開關管故障特征參數的提取，并確保系統的安全可靠運行。
[0005]本發明的一種基于BOOST電路輸入輸出頻率特性的功率開關管故障特征參數提取方法，包括常規BOOST電路及其直流負載1、1個用于輸入電感電流誤差調節的比例積分調節器(PI調節器)2、I個PWM信號生成單元3、I個具有驅動電壓幅值可調的功率開關驅動模塊4、I個快速傅里葉(FFT)分析模塊5以及BOOST電路輸入輸出頻率特性計算模塊6。該故障特征參數提取方案主要實施過程描述如下:首先在BOOST電路電流基準信號Iref中
添加一定頻率的正弦擾動信號iref.，然后將boost電路的輸入電感電流Iin+iin與給定參考信
號W +iref進行比較，比較后產生的誤差信號Ue+Cle送給比例積分調節器(PI調節器)2，PI調節器的輸出信號即為BOOST電路調制波UnrHQm，將該調制波11?1+0?1與載波信號進入PWM信號生成單元3產生PWM高頻脈沖信號，PWM高頻脈沖信號經過驅動電壓幅值可調的驅動模塊4產生BOOST電路功率開關驅動信號，同時通過調整驅動電壓幅值使得功率開關管進
入飽和區(線性放大區或恒流區)工作。將所測量的輸入電感電流iin+iin，輸出直流電壓
11。+知以及調制波信號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算模塊6最終獲得當前擾動頻率下的電路輸入輸出頻率特性。更改擾動頻率并重復上述過程，最終可獲得一段頻率區間內BOOST電路輸入輸出頻率特性曲線。根據所獲得的頻率曲線可評估功率開關管等效導通電阻變化情況，從而進一步完成對BOOST電路功率開關管故障特征參數的提取。
[0006]本發明所提出的基于BOOST電路功率開關管故障特征參數提取方法有如下突出優點:
[0007]通常情況下，實現對BOOST電路閉環工作控制均需要輸入電感電流檢測和輸出直流電壓檢測，因此本發明在沒有增加電路額外檢測點基礎上，通過利用電路現有檢測點，實現了對功率開關管的故障特征參數提取。檢測點的減少不僅簡化了電路整體結構，降低了系統成本，同時可有效避免過多檢測點的引入導致電路可靠性下降等影響。
[0008]本發明所提出的基于BOOST電路功率開關管故障特征參數提取方法，具有電路檢測點少、系統可靠性高等突出優點，并為功率管故障診斷和故障預測技術提供了重要的技術基礎。此外，本發明所提出的技術方案可推廣至BUCK電路等其他電力電子基本電路。
【專利附圖】
【附圖說明】[0009]圖1是本發明的整體結構框圖。
[0010]圖1中的標號名稱:1—BOOST基本電路單元及直流負載；2——比例積分調節器
單元(PI調節器)；3—PWM信號產生單元；4——驅動電壓幅值可調驅動模塊單元；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算單元。
[0011]圖1中的主要符號名稱:Uin——輸入直流電源電壓穩態值，Iin-BOOST電路輸入
電感電流穩態值，iin——BOOST電路輸入電感電流中擾動分量，L——BOOST電路輸入濾波電感，S——功率開關管，D — BOOST電路續流二極管，Rs——功率開關管等效導通電阻，R0——輸出直流負載電阻，Cf——輸出濾波電容，Iref——電感電流基準穩態值，Ief——電感電流基準中正弦擾動分量，U0——BOOST電路輸出電壓采樣穩態值，?。一BOOST電路輸出電壓采樣中擾動分量，ue—誤差信號穩態值，ae—誤差信號中擾動分量，Uffl—比例積分調節器輸出信號(調制波信號)穩態值，——比例積分調節器輸出信號中擾動分量。
[0012]圖2 (a)、(b)、(c)、(d)是本發明對于BOOST電路功率開關管故障特征參數提取技術的數值仿真結果示意圖。
【具體實施方式】
[0013]下面結合附圖與具體實施例對本發明作進一步詳細描述:本實施例在以本發明技術方案為前提下進行實施，給出了實施方式和操作過程，但本發明的保護范圍不限于下述的實施例。
[0014]圖1所示的是本發明提出的一種基于BOOST電路輸入輸出頻率特性的功率開關管故障特征參數提取方法的整體結構框圖，包括基于高頻功率開關的BOOST電路及直流負載
1、1個用于電流誤差調節的比例積分調節器(PI調節器)2、1個PWM信號生成單元3、1個具有驅動電壓幅值可調的功率開關驅動模塊4、1個快速傅里葉(FFT)分析模塊5以及BOOST電路輸入輸出頻率特性計算模塊6。首先在BOOST電路電流基準信號Iref中添加一定頻率
的正弦擾動信號iref，然后將boost電路的輸入電感電流lin+iin%給定參考信號Iref+iraf進
行比較，比較后輸出的誤差信號ue+iie送給比例積分調節器(PI調節器)2，調節器的輸出信號1^+ 作為調制波并與載波信 號一同進入PWM信號生成單元3產生PWM高頻脈沖信號。該PWM高頻脈沖信號經過驅動電壓幅值可調的驅動單元4最終生成控制功率開關通斷的驅動信號，同時通過調整驅動電壓幅值，使得功率開關管進入飽和區(線性放大區或恒流區)
工作。將所測量的含有正弦擾 動分量的輸入電感電流Iin+iin，輸出直流電壓U。+^。以及調制
波信號Um+iim同時送入快速傅里葉(FFT)分析模塊5從而獲得各信號所對應擾動頻率下的幅值信息。最后通過輸入輸出頻率特性計算模塊6，獲得對應擾動頻率下的BOOST電路調制波到輸入電感電流傳遞函數的幅頻特性(輸入頻率特性)以及調制波到輸出電壓傳遞函數的幅頻特性(輸出頻率特性)。其中，BOOST電路輸入頻率與輸出頻率特性計算公式如下:
【權利要求】
1.一種基于BOOST電路輸入輸出頻率特性的功率開關管故障特征參數提取方法，其特征在于，包括基于高頻功率開關的BOOST電路及直流負載(I)、1個用于電流誤差調節的比例積分調節器(2)、1個PWM信號生成單元(3)、1個具有驅動電壓幅值可調的功率開關管驅動模塊(4)、I個快速傅里葉分析模塊(5)以及BOOST電路輸入輸出頻率特性計算模塊(6)；首先在BOOST電路電流基準信號穩態值Iref中添加一定頻率的正弦擾動信號，然后將boost電路的輸入電感電流lin+iin%給定參考信號Iraf進行比較，比較后輸出的誤差信號Ue+iie送入比例積分調節器(2)，調節器的輸出信號Um+ Cim作為調制波并與載波信號一同進入PWM信號生成單元(3)產生PWM高頻脈沖信號；該PWM高頻脈沖信號經過驅動電壓幅值可調的驅動單元(4)最終生成控制功率開關通斷的驅動信號，同時通過調整驅動電壓幅值，使得功率開關管進入飽和區工作；將所測量的含有正弦擾動分量的輸入電感電流Iin+iin，輸出直流電壓U。+!!。以及調制波信號Um+iim同時送入快速傅里葉分析模塊⑶從而獲得各信號所對應擾動頻率下的幅值信息；最后通過輸入輸出頻率特性計算模塊(6)，獲得對應擾動頻率下的BOOST電路調制波到輸入電感電流傳遞函數的幅頻特性以及調制波到輸出電壓傳遞函數的幅頻特性；更改擾動頻率并重復上述過程，最終可獲得一段頻率區間內BOOST電路調制波到輸入電感電流傳遞函數的幅頻特性以及調制波到輸出電壓傳遞函數的幅頻特性；根據所獲得的一段頻率區間內的BOOST電路輸入輸出頻率特性,可間接對功率開關管等效導通電阻變化情況進行評估，從而實現對BOOST電路中功率開關管故障特征參數的提取。.
【文檔編號】G01R27/08GK103472381SQ201310446198
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年9月27日 優先權日:2013年9月27日
【發明者】韋徵, 龔春英, 任磊, 陳杰 申請人:南京航空航天大學