直流变换器故障诊断的方法

摘 要直流变换器在计算机、通信系统、新能源发电等领域中得到了广泛的应用。它们的正常运行对保证整个系统的安全、高效、优质运行意义重大。通过在线实时诊断直流变换器的故障，可以有效的提高系统的可靠性。本文对现有直流变换器故障诊断方法进行了总结，指出了各种直流变换器故障的优缺点。

【关键词】直流变换器 可靠性 故障诊断

1 引言

随着半导体技术和微电子技术以及其它边沿技术的不断发展，直流变换器技术有了突破性的发展。目前，直流变换器以其体积小、重量轻、效率高、输出形式多样、稳压范围宽等特点，在计算机、通信系统、新能源发电、航天航空和交通运输等领域中得到了广泛的应用。它们的正常运行对保证整个系统的安全、高效、优质运行意义重大。通过在线实时诊断直流变换器的故障，迅速切除故障以及采取合适的容错控制策略，可以有效的提高系统的可靠性。因此，对直流变换器的故障诊断研究具有重要的理论意义和工程应用价值[1]。

虽然直流变换器结构繁多，但其基本上是由单管直流变换器、全桥变换器以及多电平衍生而来，相应的故障诊断方法可以推广。因此本文主要对单管变换器、全桥变换器以及多电平直流变换器的诊断方法进行了总结，并指出各种方法的优缺点。

2 直流变换器故障诊断

2.1 单管变换器

Boost变换器是最基本的单管直流变换器，应用广泛。文献[2]针对Boost变换器提出了一种基于电感电流斜率的故障诊断方法。Boost变换器的电感电流作为系统控制变量，因此无需额外引入新的测量元件。数字控制器每半个开关周期采样一次电感电流值，通过比较相邻三个采样值的大小实现开关管开路和短路故障的诊断。该诊断方法可以在不到两个开关周期的时间内实现开关管故障的诊断。但是，该方法容易受到负载扰动的影响。

2.2 全桥变换器

全桥ZVS变换器因其高效率在工业中得到广泛应用。针对全桥ZVS变换器，文献[3]通过检测直流侧电流实现开关管开路和短路的诊断。直流侧电流可以通过脉冲变压器测量获得，从而避免了昂贵的霍尔器件。同时通过比较直流侧电流峰值和积分值，实现开关管开路和短路故障的诊断。该诊断方法可以利用简单硬件电路实现，因此大大降低了诊断系统的成本。但是，该诊断方法不能实现故障开关管的定位，而且诊断时间较长。文献[4]通过测量ZVS全桥变换器变压器原边电流、各桥臂下管电流实现故障开关管的开路和短路的故障定位。该方法需要引入较多的测量元件，诊断时间较长。文献[5]以全桥变换器输出电压、原边电压和整流桥输出电压及作为诊断依据，基于小波神經网络实现开关管的故障诊断。诊断算法较为复杂，同时诊断时间较长。

2.3 多电平变换器

多电平直流变换器可以广泛应用在大功率工业中。针对三电平boost直流变换器，文献[6]也提出了相应故障诊断方法，通过比较用于MPPT控制的输出电容电压的误差实现开关管故障的诊断。文献[7]针对半桥三电平变换器，通过观察飞跃电容电压的大小，可以实现功率开关管的故障检测。该诊断方法不需要引入昂贵的测量元件和数字处理系统，仅依靠简单的硬件电路即可实现。

3 结论

直流变换器的正常运行关系到整个系统的安全运行，对直流变换器的故障诊断备受研究者的关注。本文对现有直流变换器的故障诊断方法进行了介绍、总结，指出了各种方法的优缺点，对直流变换器故障方法的研究具有一定的指导意义。

参考文献

[1]张志学.基于混杂系统理论的电力电子电路故障诊断[D].浙江：浙江大学，2005.

[2]T.Park，T.Kim.Novel fault tolerant power conversion system for hybrid electric vehicles[C].in IEEE VPPC，2011：1-6.

[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]李雄涛.ZVS PWMDC/DC全桥变换器故障诊断系统研究[D].广州：华南理工大学，2010.

[5]吴丹.DC/DC开关电源的故障[D].湖南：中南大学，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.

作者简介

聂松松（1986-），男，现为湖北襄阳供电公司调控中心工程师，从事电网继电保护管理工作。

作者单位

湖北襄阳供电公司调控中心 湖北省襄阳市 441000