基于H橋變流器的IGBT開路故障診斷

韓　麗　羅　朋　湯家升　史麗萍　張曉蕾（中國礦業(yè)大學信息與電氣工程學院 徐州 221008）

基于H橋變流器的IGBT開路故障診斷

韓麗羅朋湯家升史麗萍張曉蕾
（中國礦業(yè)大學信息與電氣工程學院 徐州 221008）

為了實現(xiàn)H橋變流器中IGBT開路故障的定位，提出了一種基于雙重傅里葉積分的精確解析法，深入研究了H橋變流器中的IGBT在正常和開路故障時輸出電壓的諧波性能。H橋變流器中的 IGBT在不同故障下，其輸出電壓直流量的幅值和奇偶次諧波的相位發(fā)生變化，將此作為IGBT故障的特征。在6kV級聯(lián)STATCOM裝置中進行實驗驗證。研究成果表明，該方法可以有效實現(xiàn)IGBT開路故障的定位。

雙重傅里葉 H橋變流器 IGBT 故障診斷

0　引言

由H橋變流器組成的級聯(lián)多電平變流器因其具有功率容量大、低諧波、畸變小等優(yōu)點得到了日益廣泛的關(guān)注和研究［1-3］。IGBT是構(gòu)成變流器的核心器件，也是最易發(fā)生故障的薄弱環(huán)節(jié)。在變頻調(diào)速系統(tǒng)中，功率變換器的故障占整個驅(qū)動系統(tǒng)故障的82.5%［4］。在變頻調(diào)速系統(tǒng)、靜止同步發(fā)生器和有源濾波器等裝置中，當IGBT發(fā)生開路故障時，輕則造成設(shè)備嚴重故障，重則會造成災(zāi)難性的事故。為了提高裝置調(diào)節(jié)的連續(xù)性、可靠性，容錯控制策略被應(yīng)用到功率變換單元中［5，6］，但實現(xiàn)容錯控制的前提是準確地定位故障。因此，研究IGBT的開路故障診斷具有重要的意義。

最常用的IGBT開路故障檢測方法是基于專家系統(tǒng)檢測法［7-9］、電流檢測的故障診斷方法［10-12］和電壓檢測的故障診斷方法［13-16］，其中專家系統(tǒng)檢測法的缺點是有些故障狀態(tài)很相似，很難準確判別故障?；陔娏鳈z測的故障診斷方法受系統(tǒng)負載變化的影響大，容易造成誤診斷；基于電壓檢測法則具有通用性。文獻［13，14］提出一種基于逆變器電壓解析模型的功率管開路故障診斷法，將逆變器中性點電壓和正常時的電壓比較，利用偏差來實現(xiàn) IGBT開路故障診斷，但需要大量的電壓傳感器。文獻［15］將IGBT實際承受的電壓與理論電壓之間的誤差用來診斷故障，但需要在每個橋臂上設(shè)置一個光電耦合器，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。文獻［16］將逆變器的輸出電壓進行快速傅里葉分析之后，采用 BP（back propagation）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法實現(xiàn)了 IGBT開路故障診斷，缺點是故障準確率較低。

本文以H橋變流器輸出的電壓為研究對象，采用單極倍頻的調(diào)制方式，將雙重傅里葉積分引入到H橋變流器輸出電壓的解析方法中，詳細分析了H橋中的IGBT在正常和開路故障時其輸出電壓中的直流量、奇次和偶次諧波性能，將輸出電壓中的直流量、奇次和偶次諧波的相位作為故障診斷的特征。在6kV級聯(lián)STATCOM實際裝置中進行實驗驗證，實驗結(jié)果表明，該方法可以有效實現(xiàn) IGBT開路故障的定位。

1　H橋變流器IGBT故障機理分析

圖1給出在單個H橋模塊中，電壓型單相全橋變流器電路結(jié)構(gòu)，ua為H橋左臂中點與直流側(cè)中點o的電壓，ub為H橋右臂中點與直流側(cè)中點o的電壓，u0為H橋變流輸出的總電壓。本文為了后續(xù)討論方便，這里定義 S11、S14為主對角管，S12、S13為次對角管。

圖1　電壓型單相全橋變流器電路結(jié)構(gòu)Fig.1 Voltage type single phase full bridgeInverter circuit structure

文獻［17］給出了單極倍頻SPWM的具體實現(xiàn)方法，由單相全橋變流器電路的工作原理可得

1.1IGBT正常時的雙重傅里葉分析

傳統(tǒng)的傅里葉變換必須在已知開關(guān)相位的情況下對輸出電壓波形進行單一函數(shù)的分析，從而分析出基波和各次諧波的特性，而雙重傅里葉分析可以將正弦調(diào)制波和三角波看作獨立的變量，根據(jù)已知的調(diào)制比、載波比、載波與調(diào)制波的初始相位關(guān)系就可以分析出輸出電壓中基波與各次諧波的幅值和相位信息。因此，本文采用雙重傅里葉對單相全橋變流器的輸出電壓進行分析，由式（1）可知，當IGBT發(fā)生開路故障時，如果能求出ua和ub，則可以求出單相全橋變流器的輸出電壓u0。

假設(shè)調(diào)制波的數(shù)學表達式為

式中，φ為調(diào)制波的相位。

文獻［18］對自然采樣SPWM的調(diào)制模型進行了研究，給出ua的調(diào)制模型為

同理可以得到ub的調(diào)制模型為

由式（1）可得單相全橋變流器的輸出電壓 u0的表達式為

圖2　單相全橋變流器正常時輸出電壓Fig.2 The normal output voltage of the single phase full bridge converter

圖3　單相全橋變流器正常時輸出電壓的頻譜Fig.3 The frequency spectrum of the single phase full bridgeInverter output voltageIn the normal

1.2IGBT開路故障時的理論分析

本文推導出 H橋變流器中的 S11、S12、S13和S14發(fā)生開路故障時的輸出電壓。限于篇幅，本文僅對S11發(fā)生開路故障時的輸出電壓波形進行推導，則全波三角波的分段線性函數(shù)表示如圖4所示。

在圖4中，縱分量表示調(diào)制波與三角波的電壓，其中調(diào)制波與三角波的交點a的電壓為

圖4　全波三角波的分段線性函數(shù)表示Fig.4 Piecewise linear function representation of the triangle wave of whole wave

交點b的電壓為

當 S11發(fā)生開路故障，且調(diào)制波 us大于三角波uc1時，由于 ua為 H橋左臂中點與直流側(cè)中點 o的電壓，因此，ua輸出不再是E/2，而是0。則可得到關(guān)于ua的時間函數(shù)um為式中，Y=ωst-φ；X=ωct；k=0，1，2，…。則可以得到雙重傅里葉積分中Amn和jBmn的表達式為

（1）當==0m n時

則橋臂電壓中出現(xiàn)了直流分量。

（2）當=0m時

則存在基波分量，不存在基帶諧波分量，即頻率為整數(shù)倍的基波分量。

（3）當 =0n時

（4）當m=1，3，5，…和 n=±2，±4，±6，…時

當m≠1，3，5，…和n≠±2，±4，±6，…時

當m=2，4，6，…和n=±1，±3，±5，…時

當m≠2，4，6，…和n≠±1，±3，±5，…時

將式（1）～式（4）所得值代入雙重傅里葉級數(shù)的表達式之后得左橋臂的輸出電壓為

根據(jù)式（1），將該左橋臂的輸出電壓 ug1與右橋臂的輸出電壓u0相減后得

對比式（4）可知，當 S11發(fā)生開路故障時，H橋變流器輸出的電壓中發(fā)生變化：①出現(xiàn)幅值為E/4直流分量，由傅里葉分析的原理可知，此相位應(yīng)為270°；②出現(xiàn)了載波諧波分量和其他次的邊帶諧波，即偶次諧波的分量不再為零。圖5、圖 6給出了 S11發(fā)生開路故障時，變流器輸出電壓的波形和頻譜圖。從圖6可以看出，直流分量和偶次諧波的電壓含有率不再為零。

圖5　S11開路故障時的輸出電壓波形Fig.5 The output voltage waveform of S11open circuit failure

圖6　單相全橋變流器S11開路故障時輸出電壓的頻譜Fig.6 The output voltage frequency spectrum of S11open circuit failure

表1列出了IGBT正常和S12、S13、S14發(fā)生開路故障時，單相全橋變流器的輸出電壓u0的表達式。

為進一步分析頻譜圖中直流分量和各次諧波含量的特性。采用Matlab中的FFT工具箱，分析IGBT正常和開路時的輸出電壓波形的幅值和對應(yīng)的相位，由于篇幅有限，這里僅給出了 0～500Hz的幅值及對應(yīng)的相位見表2。

2　IGBT故障診斷分析

由表 2可以看出，IGBT發(fā)生開路故障時，除直流量不同之外，其他各次諧波的幅值幾乎相等，但不同故障時偶次諧波的相位發(fā)生變化。這是由于仿真時設(shè)定的初相角φ= 0°，載波比n=6，根據(jù)表1中 IGBT開路故障的表達式，諧波次數(shù)6m+n （m=1，3，5，…，n=±2，±4，…）為偶數(shù)，所以偶次諧波的相位發(fā)生了變化。當S11和S12發(fā)生開路故障時，基波分量的幅值為其正常時的3mE/4≈480V，直流分量的幅值均為E/4=200V，相位相差180°，即S11開路故障時FFT分析后的直流分量為-E/4，S12開路故障時FFT分析后的直流分量為E/4，同樣可得出 S13和 S14開路故障時 F FT分析后的直流分量為E/4和-E/4。S11和S12開路故障時的各次諧波的相位相同，與S13和S14開路故障時的偶次諧波相位相差180°，這與表1推導的基本相符。

根據(jù)以上分析，可以明顯找出其故障特征。對變流器輸出的電壓 u0進行FFT分析后，通過直流分量值的大小和相位以及各次諧波的相位來判斷。為了更好地判斷故障特征，令U0和φ0為對原始信號經(jīng)過傅里葉分析后的直流分量和相位，φ0n（n=2，4，6，…）為對原始信號傅里葉分析后的偶次諧波的相位?，F(xiàn)定義一個函數(shù) Son（x），令Son（x）=φ0n+90°，則Son（x）的取值的范圍為

表1　單相全橋變流器IGBT正常和故障時的輸出電壓Tab1 Single phase full bridgeInverter output voltage ofIGBTIn the normal and fault

表2　IGBT發(fā)生開路故障時的幅值和對應(yīng)的相位Tab.2 IGBT open circuit fault occurs FFT analysis of the amplitude and the corresponding phase angle

首先判斷直流分量U0的值為正或負，當U0=0時，說明IGBT正常；當U0為正時，可以判斷出次對角管發(fā)生故障，即 S12或 S13發(fā)生故障；當U0為負時，可以判斷出主對角管發(fā)生故障，即S11或S14發(fā)生故障。然后根據(jù)其偶次諧波的相位φ0n，U0為正時，當偶次的相位 Son（x）≈ 180°時，S12發(fā)生開路故障，當偶次的相位 Son（x）≈ 0 °時，S13發(fā)生開路故障，同樣U0為負時可以判斷是 S11故障還是 S14故障。圖7給出了單相全橋變流器故障診斷流程。

圖7　單相全橋變流器故障診斷流程Fig.7 Single phase full bridge converter fault diagnosis process

3　實驗

為了驗證前文理論分析的正確性，本文在一臺6kV STATCOM裝置中進行實驗驗證，由于車間內(nèi)變壓器容量的原因，將兩臺6kV STATCOM樣機分別掛在系統(tǒng)母線上，一臺作為補償機，一臺作為負載機。IGBT開路故障的模型采用模擬開關(guān)斷開驅(qū)動信號的方式，通過DSP將開路的IGBT對應(yīng)的驅(qū)動信號接至無效電平，使IGBT處于常斷狀態(tài)，等同于IGBT開路故障。圖8給出裝置原理，圖9給出了實驗平臺結(jié)構(gòu)，圖10給出了樣機實物，主要包括濾波器、起動柜、功率柜和控制柜。

圖8　6kV STATCOM裝置原理Fig.8 Schematic diagram of the 6kV STATCOM

圖9　6kV STATCOM樣機實驗平臺結(jié)構(gòu)Fig.9 Structure construction of the 6kV STATCOM prototype experiment platform

圖10　樣機實物Fig.10 Prototype figure

主電路架構(gòu)為單相H橋的拓撲結(jié)構(gòu)，每相級聯(lián)8個模塊，每個模塊有4個IGBT組成，如圖11所示。

圖11　基于H橋的6kV STATCOM主電路拓撲結(jié)構(gòu)Fig.11 Topology of the H-bridge based 6kV STATCOM

6kV的STATCOM采用單極倍頻的控制策略，載波頻率為 2 400Hz，逆變橋通過各自的能量平衡實現(xiàn)其自身電平電壓的平衡，其幅值的大小不隨負載發(fā)生變化，直流側(cè)電容電壓的參考值為670V。圖12和圖13分別給出了A相中一個H橋IGBT正常時的輸出電壓波形和該H橋中 S11開路故障時的輸出電壓波形。

圖13　S11開路故障時輸出電壓波形Fig.13 The output voltage waveform of S11open circuit failure

對比圖12和圖13可以看出，輸出電壓的波形與前文理論分析方法并不是完全一致。這是因為直流側(cè)電容在不斷地充電和放電，直流側(cè)電壓在很小的范圍內(nèi)發(fā)生變化，特別是當S11發(fā)生開路故障后，直流側(cè)電容電壓的平均值會稍微升高，但幾乎不會影響對H橋變流器中的IGBT開路故障定位。為了得到與前面仿真相似的波形，對H橋輸出電壓的正、負半軸各設(shè)定一個閾值。其中A相H橋IGBT正常時的正半軸的值設(shè)為 600V，負半軸的值設(shè)為-600V，當 S11開路故障時，其正半軸設(shè)定的值為300V和600V，負半軸設(shè)定的值為-300V和-600V。然后對其進行傅里葉分析，數(shù)據(jù)見表3。

表3　IGBT正常和S11開路故障時的幅值和對應(yīng)的相位Tab.3 The amplitude and the corresponding phase angle ofIGBT normal and S11open circuit fault

根據(jù)上文的方法可以判斷出H橋中的 S11發(fā)生開路故障。

4　結(jié)論

針對H橋變流器中的IGBT的開路故障，本文將雙重傅里葉積分引入到H橋變流輸出電壓的解析方法中，找出了故障特征，實現(xiàn)了故障定位，故障診斷實例驗證了該方法的優(yōu)越性，得到了如下結(jié)論：

1）將輸出電壓信號作為原始信號，經(jīng)過雙重傅里葉分析后，根據(jù)直流量的大小來判斷 IGBT正常還是開路故障。當變流器中的 IGBT正常時，輸出電壓中的直流量為零，當 IGBT出現(xiàn)開路故障時，直流量大小為E/4。

2）通過判斷直流分量的大小和相位，即可判斷出H橋中的主對角管發(fā)生故障還是次對角管發(fā)生故障，然后根據(jù)其奇次或偶次諧波的相位進而判斷橋臂是上管還是下管故障。

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Fault Diagnosis Research Based on the H BridgeInverterIGBT Open Circuit

Han Li Luo Peng Tang Jiasheng Shi Liping Zhangxiaolei
（College ofInformation and Electrical Engineering China University of Mining and Technologyxuzhou 221008 China）

In order to locate the cascade H-bridgeIGBT faultsIn converter，a precise analytical method based on double FourierIntegralIs proposed.The output voltage harmonic performance of the H bridgeIGBT converter under the normal and open circuit fault scenariosIs analyzed.The DC flow as well as the odd and even harmonic phases of H-bridgeIGBTInverter under different faults will change，which can be regarded as the features of theIGBT faults.A 6kV STATCOMIs built to test the proposed method.The results show that the method can effectively locate the fault components.

Double Fourier，H-bridge converter，IGBT，fault diagnosis

TM46

韓 麗 女，1977年生，博士，副教授，研究方向為電氣設(shè)備故障診斷及人工智能研究。

E-mail： dannyli717@163.com（通信作者）

羅 朋 男，1988年生，碩士研究生，研究方向為電氣設(shè)備故障診斷、無功補償與諧波治理。

E-mail： dqluopeng@163.com

教育部高等學校博士學科點專項科研基金資助項目（20110095110014）。

2014-07-02 改稿日期 2015-03-04