專利名稱：二極管中點(diǎn)鉗位三電平逆變器的器件開路故障診斷電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種逆變器故障檢測(cè)技術(shù)，尤其是涉及一種二極管中點(diǎn)鉗位三電平逆變器的器件開路故障診斷電路。
背景技術(shù)：
多電平變換器是一種通過改變變換器自身拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)高壓大功率輸出的新型變換器，其無需升降壓電路和均壓電路。多電平變換器中最典型的是二極管中點(diǎn)鉗位(Neutral Point Clamped，NPC)三電平逆變器，其主電路如圖I所示。與傳統(tǒng)的兩電平逆變器相比，二極管NPC三電平逆變器由于輸出電壓電平數(shù)增加，輸出波形具有更好的諧波頻譜，每個(gè)開關(guān)器件所承受的電壓應(yīng)力較小，因此二極管NPC三電平逆變器在實(shí)際中得到了廣泛的應(yīng)用，比如本溪鋼鐵廠用于軋機(jī)上的變頻器、日本700系高速列車、上海磁懸浮列車以及和諧號(hào)CRH列車等等。但是，由于二極管NPC三電平逆變器使用了數(shù)量比較多的開關(guān)器件，因此任何一個(gè)開關(guān)器件發(fā)生故障都可能會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電路停止工作，不僅降低了整個(gè)電路的工作可靠性，而且有時(shí)甚至?xí)绊懙狡渌娐返陌踩?，造成不可估量的?jīng)濟(jì)損失。綜上，如何盡早發(fā)現(xiàn)電路的故障對(duì)于提高二極管NPC三電平逆變器的工作可靠性具有十分重大的意義。目前，針對(duì)二極管NPC三電平逆變器的電路故障檢測(cè)方法主要是基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析或波形觀察分析等方法進(jìn)行的。西安理工大學(xué)的肖剛提出了《三電平逆變器故障診斷研究》，其主要過程為利用離散傅里葉和小波分析的方法提取故障波形的特征向量，然后用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機(jī)等智能方法進(jìn)行故障診斷。該方案實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，而且特征向量的提取必須按調(diào)制周期提取，診斷速度比較慢。湯清泉、顏世超、盧松升等人在中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)提出了《三電平逆變器的功率管開路故障診斷》(2008，28 (21)，26-32)，其是通過分析三電平逆變器在單個(gè)功率器件開路故障下的電路工作情況及故障表現(xiàn)形式，而提出的一種根據(jù)檢測(cè)三電平逆變器輸出側(cè)PWM (Pulse Width Modulation，脈沖寬度調(diào)制)電壓波形和輸出電流極性來診斷功率器件開路故障的故障診斷方案。該方案具有診斷迅速、可靠性高的優(yōu)·點(diǎn)，但其診斷結(jié)果并沒有精確定位到某個(gè)開關(guān)器件，而需要再進(jìn)行人工查找，而且對(duì)于PWM電壓波形是否異常的判斷都是通過人的眼睛對(duì)示波器上的顯示波形進(jìn)行觀察得到的，很大程度上影響了診斷結(jié)果的精確性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、診斷速度快，且診斷結(jié)果能夠精確定位到具體的器件，并能夠有效提高二極管中點(diǎn)鉗位三電平逆變器的工作可靠性的器件開路故障診斷電路。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為一種二極管中點(diǎn)鉗位三電平逆變器的器件開路故障診斷電路，所述的二極管中點(diǎn)鉗位三電平逆變器包括三相橋臂電路和兩個(gè)直流電壓源，每相所述的橋臂電路由上橋臂電路和下橋臂電路組成，所述的上橋臂電路包括第一功率開關(guān)器件、第二功率開關(guān)器件和第五功率開關(guān)器件，所述的下橋臂電路包括第三功率開關(guān)器件、第四功率開關(guān)器件和第六功率開關(guān)器件，所述的第一功率開關(guān)器件分別與其中一個(gè)所述的直流電壓源、所述的第二功率開關(guān)器件及所述的第五功率開關(guān)器件連接，所述的第四功率開關(guān)器件分別與另一個(gè)所述的直流電壓源、所述的第三功率開關(guān)器件及所述的第六功率開關(guān)器件連接，所述的第二功率開關(guān)器件和所述的第三功率開關(guān)器件與其所在的所述的橋臂電路的輸出端連接，所述的第五功率開關(guān)器件和所述的第六功率開關(guān)器件與兩個(gè)所述的直流電壓源的公共連接端連接，其特征在于包括三個(gè)結(jié)構(gòu)相同的開路故障診斷單元電路，三個(gè)所述的開路故障診斷單元電路一一對(duì)應(yīng)的與二極管中點(diǎn)鉗位三電平逆變器中的三相橋臂電路的輸出端連接；所述的開路故障診斷單元電路主要由用于對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行隔離采樣的信號(hào)采樣單元、用于對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行整流、分壓和濾波處理的信號(hào)調(diào)整單元、窄脈沖過濾單元、第一脈沖丟失檢測(cè)單元、第二脈沖丟失檢測(cè)單元及上下橋臂電路判斷單元組成，所述的信號(hào)采樣單元的輸入端接入其中一相的橋臂電壓，所述的信號(hào)采樣單元的輸出端與所述的信號(hào)調(diào)整單元的輸入端連接，所述的信號(hào)調(diào)整單元的輸出端分別與所述的窄脈沖過濾單元的輸入端、所述的第一脈沖丟失檢測(cè)單元的輸入端和所述的第二脈沖丟失檢測(cè)單元的輸入端連接，所述的窄脈沖過濾單元的輸出端輸出用于判斷每相所述的 上橋臂電路中的第二功率開關(guān)器件或每相所述的下橋臂電路中的第三功率開關(guān)器件是否發(fā)生開路故障的信號(hào)，所述的第一脈沖丟失檢測(cè)單元的輸出端輸出用于判斷每相所述的上橋臂電路中的第一功率開關(guān)器件或每相所述的下橋臂電路中的第四功率開關(guān)器件是否發(fā)生開路故障的信號(hào)，所述的第二脈沖丟失檢測(cè)單元的輸出端輸出用于判斷每相所述的上橋臂電路中的第五功率開關(guān)器件或每相所述的下橋臂電路中的第六功率開關(guān)器件是否發(fā)生開路故障的信號(hào)，所述的上下橋臂電路判斷單元的輸入端接入其中一相的調(diào)制電壓，所述的上下橋臂電路判斷單元的輸出端輸出用于區(qū)分開路故障發(fā)生在上橋臂或下橋臂的信號(hào)。所述的窄脈沖過濾單元的輸出端、所述的第一脈沖丟失檢測(cè)單元的輸出端、所述的第二脈沖丟失檢測(cè)單元的輸出端及所述的上下橋臂電路判斷單元的輸出端共同連接有故障顯示電路，所述的故障顯示電路包括單片機(jī)和液晶顯示屏，所述的單片機(jī)的輸出端與所述的液晶顯示屏的輸入端連接；或所述的窄脈沖過濾單元的輸出端、所述的第一脈沖丟失檢測(cè)單元的輸出端、所述的第二脈沖丟失檢測(cè)單元的輸出端及所述的上下橋臂電路判斷單元的輸出端各對(duì)應(yīng)連接有LED指示燈。所述的信號(hào)采樣單元包括霍耳電壓傳感器，所述的霍耳電壓傳感器的輸入端接入其中一相的橋臂電壓，所述的霍耳電壓傳感器的輸出端輸出隔離采樣后的電壓信號(hào)；所述的上下橋臂電路判斷單元包括過零比較器，所述的過零比較器的輸入端接入一相的調(diào)制電壓，所述的過零比較器的輸出端輸出用于區(qū)分開路故障發(fā)生在上橋臂或下橋臂的信號(hào)。所述的窄脈沖過濾單元包括第一比較器、第二比較器、異或門和用于濾除誤診斷的信號(hào)的窄脈沖過濾電路，所述的第一比較器的正相輸入端和所述的第二比較器的正相輸入端均與所述的信號(hào)調(diào)整單元的輸出端連接，所述的第一比較器的反相輸入端接入幅度大于2. 5V且小于5V的第一參考電壓，所述的第二比較器的反相輸入端接入幅度大于OV且小于2. 5V的第二參考電壓，所述的第一比較器的輸出端與所述的異或門的一個(gè)輸入端連接，所述的第二比較器的輸出端與所述的異或門的另一個(gè)輸入端連接，所述的異或門的輸出端與所述的窄脈沖過濾電路的輸入端連接，所述的窄脈沖過濾電路的輸出端輸出用于判斷每相所述的上橋臂電路中的第二功率開關(guān)器件或每相所述的下橋臂電路中的第三功率開關(guān)器件是否發(fā)生開路故障的信號(hào)。所述的窄脈沖過濾電路主要由第一可調(diào)電阻、第二電阻、第三可調(diào)電阻、第四電阻、第一電容和放大器組成，所述的第一可調(diào)電阻的一端與所述的異或門的輸出端連接，所述的第一可調(diào)電阻的另一端分別與所述的第一電容的一端和所述的放大器的反相輸入端連接，所述的第一電容的另一端接地，所述的第二電阻的一端接5V電源電壓，所述的第二電阻的另一端分別與所述的放大器的正相輸入端和所述的第三可調(diào)電阻的一端連接，所述的第三可調(diào)電阻的另一端接地，所述的第四電阻的一端接5V電源電壓，所述的第四電阻的另一端與所述的放大器的輸出端連接，且其公共連接端為所述的窄脈沖過濾電路的輸出端。所述的第一脈沖丟失檢測(cè)單元包括第一非門和第一脈沖丟失檢測(cè)電路，所述的第一非門的輸入端與所述的信號(hào)調(diào)整單元的輸出端連接，所述的第一非門的輸出端與所述的第一脈沖丟失檢測(cè)電路的輸入端連接，所述的第一脈沖丟失檢測(cè)電路的輸出端輸出用于判 斷每相所述的上橋臂電路中的第一功率開關(guān)器件或每相所述的下橋臂電路中的第四功率開關(guān)器件是否發(fā)生開路故障的信號(hào)。所述的第二脈沖丟失檢測(cè)單元包括第二脈沖丟失檢測(cè)電路，所述的第二脈沖丟失檢測(cè)電路的輸入端與所述的信號(hào)調(diào)整單元的輸出端連接，所述的第二脈沖丟失檢測(cè)電路的輸出端輸出用于判斷每相所述的上橋臂電路中的第五功率開關(guān)器件或每相所述的下橋臂電路中的第六功率開關(guān)器件是否發(fā)生開路故障的信號(hào)。所述的第二脈沖丟失檢測(cè)電路的輸入端與所述的信號(hào)調(diào)整單元的輸出端之間連接有第二非門和第三非門，所述的第二非門的輸入端與所述的信號(hào)調(diào)整單元的輸出端連接，所述的第二非門的輸出端與所述的第三非門的輸入端連接，所述的第三非門的輸出端與所述的第二脈沖丟失檢測(cè)電路的輸入端連接。所述的第一脈沖丟失檢測(cè)電路和所述的第二脈沖丟失檢測(cè)電路的電路結(jié)構(gòu)相同，主要由第五電阻、第六可調(diào)電阻、PNP型三極管、第二電容、第三電容和555芯片，所述的第五電阻的一端為所述的第一脈沖丟失檢測(cè)電路或所述的第二脈沖丟失檢測(cè)電路的輸入端，所述的第五電阻的另一端分別與所述的PNP型三極管的基極和所述的555芯片的第2腳連接，所述的PNP型三極管的發(fā)射極分別與所述的第二電容的一端、所述的555芯片的第6腳、所述的555芯片的第7腳和所述的第六可調(diào)電阻的一端連接，所述的第三電容的一端與所述的555芯片的第5腳連接，所述的第六可調(diào)電阻的另一端分別與所述的555芯片的第4腳和第8腳連接，所述的555芯片的第I腳、所述的PNP型三極管的集電極、所述的第二電容的另一端和所述的第三電容的另一端均接地，所述的555芯片的第8腳接芯片工作電壓，所述的555芯片的第3腳為所述的第一脈沖丟失檢測(cè)電路或所述的第二脈沖丟失檢測(cè)電路的輸出端。所述的信號(hào)調(diào)整單元包括全橋整流電路及第一分壓電阻、第二分壓電阻和濾波電容，所述的全橋整流電路由第一二極管、第二二極管、第三二極管和第四二極管組成，所述的第一二極管的正極與所述的第三二極管的負(fù)極連接，所述的第二二極管的正極與所述的第四二極管的負(fù)極連接，所述的第一二極管的正極與所述的第三二極管的負(fù)極的公共連接端及所述的第二二極管的正極與所述的第四二極管的負(fù)極的公共連接端接入隔離采樣后的電壓信號(hào)，所述的第一二極管的負(fù)極與所述的第二二極管的負(fù)極連接，且其公共連接端與所述的第一分壓電阻的一端連接，所述的第一分壓電阻的另一端與所述的第二分壓電阻的一端連接，且其公共連接端為所述的信號(hào)調(diào)整單元的輸出端，所述的第二分壓電阻的另一端、所述的第三二極管的正極和所述的第四二極管的正極均接地，所述的濾波電容并聯(lián)連接于所述的第二分壓電阻的兩端。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于
I)本發(fā)明的開路故障診斷單元電路利用信號(hào)采樣單元對(duì)橋臂電壓進(jìn)行隔離采樣，然后利用信號(hào)調(diào)整單元對(duì)隔離采樣后的電壓信號(hào)進(jìn)行整流、分壓和濾波處理，再利用窄脈沖過濾單元判斷橋臂電路中與橋臂電路的輸出端相連接的功率開關(guān)器件是否發(fā)生開路故障，利用第一脈沖丟失檢測(cè)單元判斷橋臂電路中與橋臂電路的一個(gè)直流電壓源連接的功率開關(guān)器件是否發(fā)生開路故障，利用第二脈沖丟失單元判斷橋臂電路中與橋臂電路的兩個(gè)直流電 壓源的公共連接端連接的功率開關(guān)器件是否發(fā)生開路故障，最后利用上下橋臂電路判斷單元區(qū)分故障的器件是上橋臂電路還是下橋臂電路中的器件，通過該開路故障診斷單元電路能夠準(zhǔn)確的檢測(cè)出三電平逆變器中的哪個(gè)器件發(fā)生開路故障，且診斷速度快(通常在幾個(gè)載波周期內(nèi)就能夠檢測(cè)到發(fā)生開路故障的器件)、診斷精度高，從而減少了因故障帶來的損失，有效地提高了三電平逆變器的工作可靠性；此外，本發(fā)明的開路故障診斷單元電路的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低。


圖I為二極管中點(diǎn)鉗位三電平逆變器的主電路；
圖2為開路故障診斷單元電路的電路原理框 圖3為開路故障診斷單元電路中的信號(hào)調(diào)整電路的電路 圖4為開路故障診斷單元電路中的窄脈沖過濾電路的電路 圖5為開路故障診斷單元電路中的第一脈沖丟失檢測(cè)電路和第二脈沖丟失檢測(cè)電路的電路 圖6為第一脈沖丟失檢測(cè)電路和第二脈沖丟失檢測(cè)電路工作時(shí)信號(hào)的波形示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。圖I為二極管中點(diǎn)鉗位三電平逆變器的主電路，其包括三相橋臂電路和兩個(gè)直流電壓源，每相橋臂電路由上橋臂電路和下橋臂電路組成，上橋臂電路包括第一功率開關(guān)器件(a相的Sal、b相的Sbl、c相的Scl)、第二功率開關(guān)器件(a相的Sa2、b相的Sb2、c相的Sci2)和第五功率開關(guān)器件(a相的Da5、b相的Db5、c相的De5),下橋臂電路包括第三功率開關(guān)器件(a相的Sa3、b相的Sb3、c相的S。。、第四功率開關(guān)器件(a相的Sa4、b相的Sb4、c相的Sci4)和第六功率開關(guān)器件(a相的Da6、b相的Db6、c相的De6),第一功率開關(guān)器件分別與其中一個(gè)直流電壓源、第二功率開關(guān)器件及第五功率開關(guān)器件連接，第四功率開關(guān)器件分別與另一個(gè)直流電壓源、第三功率開關(guān)器件及第六功率開關(guān)器件連接，第二功率開關(guān)器件和第三功率開關(guān)器件與其所在的橋臂電路的輸出端連接，第五功率開關(guān)器件和第六功率開關(guān)器件與兩個(gè)直流電壓源的公共連接端連接。圖I所示的主電路中如果a相的上橋臂電路中的Sal、Sa2、Da5，a相的下橋臂電路中的Sa3、Sa4、Da6，b相的上橋臂電路中的Sbl、Sb2、Db5, b相的下橋臂電路中的Sb3、Sb3、Db6，c相的上橋臂電路中的Sc^SmDe5, c相的下橋臂電路中的S。、Sc4、Dcfi，其中任一個(gè)器件發(fā)生故障，均會(huì)使主電路無法正常工作，為此本發(fā)明提出了一種二極管中點(diǎn)鉗位三電平逆變器的器件開路故障診斷電路。本發(fā)明的器件開路故障診斷電路，其包括三個(gè)結(jié)構(gòu)相同的開路故障診斷單元電路，三個(gè)開路故障診斷單元電路一一對(duì)應(yīng)的與二極管中點(diǎn)鉗位三電平逆變器中的三相橋臂電路的輸出端連接，即第一個(gè)開路故障診斷單元電路與a相的橋臂電路的輸出端連接(與圖I中的3和0兩點(diǎn)相連接)，第二個(gè)開路故障診斷單元電路與b相的橋臂電路的輸出端連接(與圖I中的13和ο兩點(diǎn)相連接)，第三個(gè)開路故障診斷單元電路與c相的橋臂電路的輸出端連接(與圖I中的c和ο兩點(diǎn)相連接)。在本實(shí)施例中，開路故障診斷單元電路如圖2所示，其主要由用于對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行隔離采樣的信號(hào)采樣單元I、用于對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行整流、分壓和濾波處理的信號(hào)調(diào)整單元
2、窄脈沖過濾單元3、第一脈沖丟失檢測(cè)單元4、第二脈沖丟失檢測(cè)單元5及上下橋臂電路 判斷單元6組成，信號(hào)采樣單元I的輸入端接入其中一相的橋臂電壓(a相橋臂電壓Va。、或b相橋臂電壓Vb。、或c相橋臂電壓V。。)，信號(hào)采樣單元I對(duì)接入的橋臂電壓進(jìn)行隔離采樣，信號(hào)采樣單元I的輸出端與信號(hào)調(diào)整單元2的輸入端連接，以傳輸隔離采樣后的橋臂電壓給信號(hào)調(diào)整單元2，信號(hào)調(diào)整單元2對(duì)接入的隔離采樣后的橋臂電壓進(jìn)行整流、分壓和濾波處理，信號(hào)調(diào)整單元2的輸出端分別與窄脈沖過濾單元3的輸入端、第一脈沖丟失檢測(cè)單元4的輸入端和第二脈沖丟失檢測(cè)單元5的輸入端連接，以傳輸?shù)玫降姆葹镺到5V的電壓信號(hào)(V’ ao或V’ b?；騐’。。)給窄脈沖過濾單元3、第一脈沖丟失檢測(cè)單元4和第二脈沖丟失檢測(cè)單元5，窄脈沖過濾單元3的輸出端輸出用于判斷每相上橋臂電路中的第二功率開關(guān)器件或每相下橋臂電路中的第三功率開關(guān)器件是否發(fā)生開路故障的信號(hào)(如對(duì)于a相上橋臂電路，該信號(hào)表示器件Sa2開路時(shí)對(duì)應(yīng)的故障診斷信號(hào)；對(duì)于a相下橋臂電路，該信號(hào)表示器件Sa3開路時(shí)對(duì)應(yīng)的故障診斷信號(hào))，第一脈沖丟失檢測(cè)單元4的輸出端輸出用于判斷每相上橋臂電路中的第一功率開關(guān)器件或每相下橋臂電路中的第四功率開關(guān)器件是否發(fā)生開路故障的信號(hào)(如對(duì)于a相上橋臂電路，該信號(hào)表示器件Sal開路時(shí)對(duì)應(yīng)的故障診斷信號(hào)；對(duì)于a相下橋臂電路，該信號(hào)表示器件Sa4開路時(shí)對(duì)應(yīng)的故障診斷信號(hào))，第二脈沖丟失檢測(cè)單元5的輸出端輸出用于判斷每相上橋臂電路中的第五功率開關(guān)器件或每相下橋臂電路中的第六功率開關(guān)器件是否發(fā)生開路故障的信號(hào)(如對(duì)于a相上橋臂電路，該信號(hào)表示器件Da5開路時(shí)對(duì)應(yīng)的故障診斷信號(hào)；對(duì)于a相下橋臂電路，該信號(hào)表示器件Da6開路時(shí)對(duì)應(yīng)的故障診斷信號(hào))，上下橋臂電路判斷單元6的輸入端接入其中一相的調(diào)制電壓(a相的調(diào)制電壓Vra、或b相的調(diào)制電壓Vrt、或c相的調(diào)制電壓W，上下橋臂電路判斷單元6的輸出端輸出用于區(qū)分開路故障發(fā)生在上橋臂或下橋臂的信號(hào)。在此，窄脈沖過濾單元3的輸出端、第一脈沖丟失檢測(cè)單元4的輸出端和第二脈沖丟失檢測(cè)單元5的輸出端輸出的信號(hào)為高電平時(shí)表示無故障，為低電平時(shí)表示發(fā)生了開路故障。在本實(shí)施例中，窄脈沖過濾單元3的輸出端、第一脈沖丟失檢測(cè)單元4的輸出端、第二脈沖丟失檢測(cè)單元5的輸出端及上下橋臂電路判斷單元6的輸出端共同連接有故障顯示電路7，故障顯示電路7包括單片機(jī)71和液晶顯示屏72，單片機(jī)71的輸出端與液晶顯示屏72的輸入端連接，通過單片機(jī)71和液晶顯示屏72顯示出二極管中點(diǎn)鉗位三電平逆變器的主電路的工作情況，以此判斷主電路中哪個(gè)器件發(fā)生故障?；蛘咭部梢院?jiǎn)單化，不采用單片機(jī)，直接使窄脈沖過濾單元3的輸出端、第一脈沖丟失檢測(cè)單元4的輸出端、第二脈沖丟失檢測(cè)單元5的輸出端及上下橋臂電路判斷單元6的輸出端各對(duì)應(yīng)連接一個(gè)LED指示燈，通過LED指示燈的亮滅情況來判斷主電路中哪個(gè)器件發(fā)生開路故障。在此，單片機(jī)71采用現(xiàn)有的任意的能夠簡(jiǎn)單的做出信號(hào)區(qū)別的單片機(jī)即可。在本實(shí)施例中，信號(hào)采樣單元I包括霍耳電壓傳感器，霍耳電壓傳感器的輸入端接入其中一相的橋臂電壓，霍 耳電壓傳感器的輸出端輸出隔離采樣后的電壓信號(hào)。在此，霍耳電壓傳感器采用現(xiàn)有技術(shù)。在本實(shí)施例中，信號(hào)調(diào)整單元2如圖3所示，其包括全橋整流電路及第一分壓電阻R11、第二分壓電阻R12和濾波電容C，全橋整流電路由第一二極管D1、第二二極管D2、第三二極管D3和第四二極管D4組成，第一二極管Dl的正極與第三二極管D3的負(fù)極連接，第二二極管D2的正極與第四二極管D4的負(fù)極連接，第一二極管Dl的正極與第三二極管D3的負(fù)極的公共連接端及第二二極管D2的正極與第四二極管D4的負(fù)極的公共連接端接入隔離采樣后的電壓信號(hào)，第一二極管Dl的負(fù)極與第二二極管D2的負(fù)極連接，且其公共連接端與第一分壓電阻Rll的一端連接，第一分壓電阻Rll的另一端與第二分壓電阻R12的一端連接，且其公共連接端為信號(hào)調(diào)整單元2的輸出端，第二分壓電阻R12的另一端、第三二極管D3的正極和第四二極管D4的正極均接地，濾波電容C并聯(lián)連接于第二分壓電阻R12的兩端。在本實(shí)施例中，通過對(duì)圖I所示的二極管中點(diǎn)鉗位三電平逆變器的主電路故障機(jī)理分析，特別是對(duì)橋臂電壓Va。(以a相的上橋臂電路為例)在故障發(fā)生之前和故障發(fā)生之后變化情況進(jìn)行對(duì)比，可以得到如下判斷故障的依據(jù)，為了方便設(shè)計(jì)本發(fā)明的開路故障診斷單元電路，對(duì)隔離采樣后的橋臂電壓進(jìn)行全波整流，相當(dāng)于取絕對(duì)值
O如果隔離采樣后的橋臂電壓出現(xiàn)l/4Ud或-l/4Ud電平(全波整流后都為l/4Ud)，則能肯定是Sa2發(fā)生開路。2)如果隔離采樣后的橋臂電壓出現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間(大于一個(gè)載波周期，實(shí)際上可取3-4個(gè)載波周期)的O電平(全波整流后也表現(xiàn)為持續(xù)O電平)，則可以肯定是Sal發(fā)生開路。3)如果隔離采樣后的橋臂電壓出現(xiàn)較長(zhǎng)時(shí)間的l/2Ud和_l/2Ud切換的情況(全波整流后為持續(xù)l/2Ud電平)，則可以肯定是Da5發(fā)生開路。根據(jù)判斷依據(jù)I)設(shè)計(jì)窄脈沖過濾單元3，窄脈沖過濾單元3包括第一比較器31、第二比較器32、異或門33和用于濾除誤診斷的信號(hào)的窄脈沖過濾電路34，第一比較器31的正相輸入端和第二比較器32的正相輸入端均與信號(hào)調(diào)整單元2的輸出端連接，第一比較器31的反相輸入端接入幅度大于2. 5V且小于5V的第一參考電壓VMfl,第二比較器32的反相輸入端接入幅度大于OV且小于2. 5V的第二參考電壓VMf2,第一比較器31的輸出端與異或門33的一個(gè)輸入端連接，第二比較器32的輸出端與異或門33的另一個(gè)輸入端連接，異或門33的輸出端與窄脈沖過濾電路34的輸入端連接，窄脈沖過濾電路34的輸出端輸出用于判斷每相上橋臂電路中的第二功率開關(guān)器件或每相下橋臂電路中的第三功率開關(guān)器件是否發(fā)生開路故障的信號(hào)；窄脈沖過濾電路34如圖4所示，其主要由第一可調(diào)電阻R1、第二電阻R2、第三可調(diào)電阻R3、第四電阻R4、第一電容Cl和放大器UlB組成，第一可調(diào)電阻Rl的一端與異或門33的輸出端連接,第一可調(diào)電阻Rl的另一端分別與第一電容Cl的一端和放大器UlB的反相輸入端連接，第一電容Cl的另一端接地，第二電阻R2的一端接5V電源電壓，第二電阻R2的另一端分別與放大器UlB的正相輸入端和第三可調(diào)電阻R3的一端連接，第三可調(diào)電阻R3的另一端接地，第四電阻R4的一端接5V電源電壓，第四電阻R4的另一端與放大器UlB的輸出端連接，且其公共連接端為窄脈沖過濾電路34的輸出端。在此，窄脈沖過濾單元3中的第一參考電壓VMfl在具體實(shí)施中可取3. 75V，第二參考電壓VMf2在具體實(shí)施中可取I. 25V，這樣可以得出當(dāng)信號(hào)調(diào)整單元2的輸出端輸出的電壓信號(hào)V’ a。(以a相的上橋臂電路為例)的電平為5V或OV時(shí)，窄脈沖過濾單元3中的異或門33輸出都為高電平(5V)，而當(dāng)隔離采樣后的橋臂電壓出現(xiàn)l/4Ud，相當(dāng)于V’ a。為2. 5V(中間電平)時(shí)，異或門33輸出低電平(0V)，即檢測(cè)到Sa2開路故障。由于實(shí)際電路信號(hào)存在一定干擾，以及電路中電容等因素影響，橋臂電壓高低電平之間跳變需要一定時(shí)間，在跳變過程中本發(fā)明的開路故障診斷單元電路可能會(huì)誤以為檢測(cè)到中間電平，導(dǎo)致在電路正常工作時(shí)異或門會(huì)輸出一些非常窄的低電平脈沖，因此在開路故障診斷單元電路中加入了窄脈沖過濾電路，用來濾除誤診斷的信號(hào)。
在本實(shí)施例中，上述判斷依據(jù)2)可以利用第一脈沖丟失檢測(cè)單元4來實(shí)現(xiàn)，第一脈沖丟失檢測(cè)單兀4包括第一非門41和第一脈沖丟失檢測(cè)電路42,第一非門41的輸入端與信號(hào)調(diào)整單元2的輸出端連接，第一非門41的輸出端與第一脈沖丟失檢測(cè)電路42的輸入端連接，第一脈沖丟失檢測(cè)電路42的輸出端輸出用于判斷每相上橋臂電路中的第一功率開關(guān)器件或每相下橋臂電路中的第四功率開關(guān)器件是否發(fā)生開路故障的信號(hào)。在此，設(shè)置第一非門不僅為了滿足邏輯需要，而且對(duì)波形具有整形的作用。在本實(shí)施例中，上述判斷依據(jù)3)可以利用第二脈沖丟失檢測(cè)單元5來實(shí)現(xiàn)，第二脈沖丟失檢測(cè)單元5包括第二脈沖丟失檢測(cè)電路51，第二脈沖丟失檢測(cè)電路51的輸入端與信號(hào)調(diào)整單元2的輸出端連接，第二脈沖丟失檢測(cè)電路51的輸出端輸出用于判斷每相上橋臂電路中的第五功率開關(guān)器件或每相下橋臂電路中的第六功率開關(guān)器件是否發(fā)生開路故
障的信號(hào)。在本實(shí)施例中，第二脈沖丟失檢測(cè)電路51的輸入端與信號(hào)調(diào)整單元2的輸出端之間連接有第二非門52和第三非門53，第二非門52的輸入端與信號(hào)調(diào)整單元2的輸出端連接，第二非門52的輸出端與第三非門53的輸入端連接，第三非門53的輸出端與第二脈沖丟失檢測(cè)電路51的輸入端連接。在此，設(shè)置第二非門52和第三非門53不僅為了滿足邏輯需要，而且對(duì)波形具有整形的作用；此外，如果三電平逆變器的功率較小，則可以不設(shè)置第二非門和第三非門，但如果三電平逆變器的功率較大，則信號(hào)受到的干擾就比較大，此時(shí)采用第二非門和第三非門進(jìn)行整形，能夠有效提高檢測(cè)精度。在本實(shí)施例中，第一脈沖丟失檢測(cè)電路42和第二脈沖丟失檢測(cè)電路51的電路結(jié)構(gòu)相同，如圖5所示，其主要由第五電阻R5、第六可調(diào)電阻R6、PNP型三極管Q1、第二電容C2、第三電容C3和555芯片Ul,第五電阻R5的一端為第一脈沖丟失檢測(cè)電路42或第二脈沖丟失檢測(cè)電路51的輸入端,第五電阻R5的另一端分別與PNP型三極管Ql的基極和555芯片Ul的第2腳(觸發(fā)輸入端)連接，PNP型三極管Ql的發(fā)射極分別與第二電容C2的一端、555芯片Ul的第6腳(閾值端)、555芯片Ul的第7腳(放電端)和第六可調(diào)電阻R6的一端連接，第三電容C3的一端與555芯片Ul的第5腳(控制端)連接，第六可調(diào)電阻R6的另一端分別與555芯片Ul的第4腳(復(fù)位端)和第8腳(工作電壓輸入端)連接，555芯片Ul的第I腳(接地端)、PNP型三極管Ql的集電極、第二電容C2的另一端和第三電容C3的另一端均接地，555芯片Ul的第8腳接芯片工作電壓，555芯片Ul的第3腳(輸出端)為第一脈沖丟失檢測(cè)電路42或第二脈沖丟失檢測(cè)電路51的輸出端。圖6給出了第一脈沖丟失檢測(cè)電路和第二脈沖丟失檢測(cè)電路工作時(shí)信號(hào)的波形，假設(shè)圖6中信號(hào)A表示第一脈沖丟失檢測(cè)電路或第二脈沖丟失檢測(cè)電路的輸入端輸入的信號(hào),信號(hào)B表不第一脈沖丟失檢測(cè)電路或第二脈沖丟失檢測(cè)電路內(nèi)部信號(hào)，信號(hào)C表示第一脈沖丟失檢測(cè)電路或第二脈沖丟失檢測(cè)電路的輸出端輸出的信號(hào)，當(dāng)信號(hào)B的幅度超過2/3Vdd (Vdd為555芯片工作電壓)時(shí)，信號(hào)C由高電平跳變到低電平，即檢測(cè)到開路故障。圖6中Λ T (表示判斷依據(jù)2)和3)中較長(zhǎng)時(shí)間)由信號(hào)B的上升速度決定，可以通過外圍參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而滿足判斷依據(jù)2)和3)中“較長(zhǎng)時(shí)間”的要求。在本實(shí)施例中，上下橋臂電路判斷單元6包括過零比較器，過零比較器的輸入端接入一相的調(diào)制電壓，該調(diào)制電壓是從驅(qū)動(dòng)二極管中點(diǎn)鉗位三電平逆變器的主電路的控制電路中獲取的，過零比較器的輸出端輸出用于區(qū)分開路故障發(fā)生在上橋臂或下橋臂的信號(hào)，如假設(shè)a相的調(diào)制電壓為Vra，則根據(jù)發(fā)生故障時(shí)Vra的極性，可以區(qū)分故障發(fā)生在上 橋臂電路(Sal、Sa2、Da5)還是下橋臂電路(Sa3、Sa4、Da6)中，如果Vra大于0，則確定上橋臂電路(Sal、Sa2、Da5)發(fā)生故障，如果Vra小于0，則確定下橋臂電路(Sa3、Sa4、Da6)發(fā)生故障。表I給出了 a相的上下橋臂電路中的器件發(fā)生開路故障的確定依據(jù)。表I a相的上下橋臂電路中的器件發(fā)生開路故障的確定依據(jù)
Vra大于零Vra小于零窄脈沖過濾電路的輸出端輸出低電平上橋臂電路中的S》開路_下橋臂電路中的Sn3開路第一脈沖丟失檢測(cè)電路的輸出端輸出低電平上橋臂電路中的Sal開路下橋臂電路中的Sa4開路第二脈沖丟失檢測(cè)電路的輸出端輸出低電平 I上橋臂電路中的Dn,開路I下橋臂電路中的Dnfi開路
權(quán)利要求
1.一種二極管中點(diǎn)鉗位三電平逆變器的器件開路故障診斷電路，所述的二極管中點(diǎn)鉗位三電平逆變器包括三相橋臂電路和兩個(gè)直流電壓源，每相所述的橋臂電路由上橋臂電路和下橋臂電路組成，所述的上橋臂電路包括第一功率開關(guān)器件、第二功率開關(guān)器件和第五功率開關(guān)器件，所述的下橋臂電路包括第三功率開關(guān)器件、第四功率開關(guān)器件和第六功率開關(guān)器件，所述的第一功率開關(guān)器件分別與其中一個(gè)所述的直流電壓源、所述的第二功率開關(guān)器件及所述的第五功率開關(guān)器件連接，所述的第四功率開關(guān)器件分別與另一個(gè)所述的直流電壓源、所述的第三功率開關(guān)器件及所述的第六功率開關(guān)器件連接，所述的第二功率開關(guān)器件和所述的第三功率開關(guān)器件與其所在的所述的橋臂電路的輸出端連接，所述的第五功率開關(guān)器件和所述的第六功率開關(guān)器件與兩個(gè)所述的直流電壓源的公共連接端連接，其特征在于包括三個(gè)結(jié)構(gòu)相同的開路故障診斷單元電路，三個(gè)所述的開路故障診斷單元電路一一對(duì)應(yīng)的與二極管中點(diǎn)鉗位三電平逆變器中的三相橋臂電路的輸出端連接；所述的開路故障診斷單元電路主要由用于對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行隔離采樣的信號(hào)采樣單元、用于對(duì)電壓信號(hào)進(jìn)行整流、分壓和濾波處理的信號(hào)調(diào)整單元、窄脈沖過濾單元、第一脈沖丟失檢測(cè)單元、第二脈沖丟失檢測(cè)單元及上下橋臂電路判斷單元組成，所述的信號(hào)采樣單元的輸入端接入其中一相的橋臂電壓，所述的信號(hào)采樣單元的輸出端與所述的信號(hào)調(diào)整單元的輸入端連接，所述的信號(hào)調(diào)整單元的輸出端分別與所述的窄脈沖過濾單元的輸入端、所述的第一脈沖丟失檢測(cè)單元的輸入端和所述的第二脈沖丟失檢測(cè)單元的輸入端連接，所述的窄脈沖過濾單元的輸出端輸出用于判斷每相所述的上橋臂電路中的第二功率開關(guān)器件或每相所述的下橋臂電路中的第三功率開關(guān)器件是否發(fā)生開路故障的信號(hào)，所述的第一脈沖丟失檢測(cè)單元的輸出端輸出用于判斷每相所述的上橋臂電路中的第一功率開關(guān)器件或每相所述的下橋臂電路中的第四功率開關(guān)器件是否發(fā)生開路故障的信號(hào)，所述的第二脈沖丟失檢測(cè)單元的輸出端輸出用于判斷每相所述的上橋臂電路中的第五功率開關(guān)器件或每相所述的下橋臂電路中的第六功率開關(guān)器件是否發(fā)生開路故障的信號(hào)，所述的上下橋臂電路判斷單元的輸入端接入其中一相的調(diào)制電壓，所述的上下橋臂電路判斷單元的輸出端輸出用于區(qū)分開路故障發(fā)生在上橋臂或下橋臂的信號(hào)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的二極管中點(diǎn)鉗位三電平逆變器的器件開路故障診斷電路，其特征在于所述的窄脈沖過濾單元的輸出端、所述的第一脈沖丟失檢測(cè)單元的輸出端、所述的第二脈沖丟失檢測(cè)單元的輸出端及所述的上下橋臂電路判斷單元的輸出端共同連接有故障顯示電路，所述的故障顯示電路包括單片機(jī)和液晶顯示屏，所述的單片機(jī)的輸出端與所述的液晶顯示屏的輸入端連接；或所述的窄脈沖過濾單元的輸出端、所述的第一脈沖丟失檢測(cè)單元的輸出端、所述的第二脈沖丟失檢測(cè)單元的輸出端及所述的上下橋臂電路判斷單元的輸出端各對(duì)應(yīng)連接有LED指示燈。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的二極管中點(diǎn)鉗位三電平逆變器的器件開路故障診斷電路，其特征在于所述的信號(hào)采樣單元包括霍耳電壓傳感器，所述的霍耳電壓傳感器的輸入端接入其中一相的橋臂電壓，所述的霍耳電壓傳感器的輸出端輸出隔離采樣后的電壓信號(hào)；所述的上下橋臂電路判斷單元包括過零比較器，所述的過零比較器的輸入端接入一相的調(diào)制電壓，所述的過零比較器的輸出端輸出用于區(qū)分開路故障發(fā)生在上橋臂或下橋臂的信號(hào)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的二極管中點(diǎn)鉗位三電平逆變器的器件開路故障診斷電路，其特征在于所述的窄脈沖過濾單元包括第一比較器、第二比較器、異或門和用于濾除誤診斷的信號(hào)的窄脈沖過濾電路，所述的第一比較器的正相輸入端和所述的第二比較器的正相輸入端均與所述的信號(hào)調(diào)整單元的輸出端連接，所述的第一比較器的反相輸入端接入幅度大于2. 5V且小于5V的第一參考電壓，所述的第二比較器的反相輸入端接入幅度大于OV且小于2. 5V的第二參考電壓，所述的第一比較器的輸出端與所述的異或門的一個(gè)輸入端連接，所述的第二比較器的輸出端與所述的異或門的另一個(gè)輸入端連接，所述的異或門的輸出端與所述的窄脈沖過濾電路的輸入端連接，所述的窄脈沖過濾電路的輸出端輸出用于判斷每相所述的上橋臂電路中的第二功率開關(guān)器件或每相所述的下橋臂電路中的第三功率開關(guān)器件是否發(fā)生開路故障的信號(hào)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的二極管中點(diǎn)鉗位三電平逆變器的器件開路故障診斷電路，其特征在于所述的窄脈沖過濾電路主要由第一可調(diào)電阻、第二電阻、第三可調(diào)電阻、第四電 阻、第一電容和放大器組成，所述的第一可調(diào)電阻的一端與所述的異或門的輸出端連接，所述的第一可調(diào)電阻的另一端分別與所述的第一電容的一端和所述的放大器的反相輸入端連接，所述的第一電容的另一端接地，所述的第二電阻的一端接5V電源電壓，所述的第二電阻的另一端分別與所述的放大器的正相輸入端和所述的第三可調(diào)電阻的一端連接，所述的第三可調(diào)電阻的另一端接地，所述的第四電阻的一端接5V電源電壓，所述的第四電阻的另一端與所述的放大器的輸出端連接，且其公共連接端為所述的窄脈沖過濾電路的輸出端。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的二極管中點(diǎn)鉗位三電平逆變器的器件開路故障診斷電路，其特征在于所述的第一脈沖丟失檢測(cè)單元包括第一非門和第一脈沖丟失檢測(cè)電路，所述的第一非門的輸入端與所述的信號(hào)調(diào)整單元的輸出端連接，所述的第一非門的輸出端與所述的第一脈沖丟失檢測(cè)電路的輸入端連接，所述的第一脈沖丟失檢測(cè)電路的輸出端輸出用于判斷每相所述的上橋臂電路中的第一功率開關(guān)器件或每相所述的下橋臂電路中的第四功率開關(guān)器件是否發(fā)生開路故障的信號(hào)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的二極管中點(diǎn)鉗位三電平逆變器的器件開路故障診斷電路，其特征在于所述的第二脈沖丟失檢測(cè)單元包括第二脈沖丟失檢測(cè)電路，所述的第二脈沖丟失檢測(cè)電路的輸入端與所述的信號(hào)調(diào)整單元的輸出端連接，所述的第二脈沖丟失檢測(cè)電路的輸出端輸出用于判斷每相所述的上橋臂電路中的第五功率開關(guān)器件或每相所述的下橋臂電路中的第六功率開關(guān)器件是否發(fā)生開路故障的信號(hào)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的二極管中點(diǎn)鉗位三電平逆變器的器件開路故障診斷電路，其特征在于所述的第二脈沖丟失檢測(cè)電路的輸入端與所述的信號(hào)調(diào)整單元的輸出端之間連接有第二非門和第三非門，所述的第二非門的輸入端與所述的信號(hào)調(diào)整單元的輸出端連接，所述的第二非門的輸出端與所述的第三非門的輸入端連接，所述的第三非門的輸出端與所述的第二脈沖丟失檢測(cè)電路的輸入端連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的二極管中點(diǎn)鉗位三電平逆變器的器件開路故障診斷電路，其特征在于所述的第一脈沖丟失檢測(cè)電路和所述的第二脈沖丟失檢測(cè)電路的電路結(jié)構(gòu)相同，主要由第五電阻、第六可調(diào)電阻、PNP型三極管、第二電容、第三電容和555芯片，所述的第五電阻的一端為所述的第一脈沖丟失檢測(cè)電路或所述的第二脈沖丟失檢測(cè)電路的輸入端，所述的第五電阻的另一端分別與所述的PNP型三極管的基極和所述的555芯片的第2腳連接，所述的PNP型三極管的發(fā)射極分別與所述的第二電容的一端、所述的555芯片的第6腳、所述的555芯片的第7腳和所述的第六可調(diào)電阻的一端連接，所述的第三電容的一端與所述的555芯片的第5腳連接，所述的第六可調(diào)電阻的另一端分別與所述的555芯片的第4腳和第8腳連接，所述的555芯片的第I腳、所述的PNP型三極管的集電極、所述的第二電容的另一端和所述的第三電容的另一端均接地，所述的555芯片的第8腳接芯片工作電壓，所述的555芯片的第3腳為所述的第一脈沖丟失檢測(cè)電路或所述的第二脈沖丟失檢測(cè)電路的輸出端。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的二極管中點(diǎn)鉗位三電平逆變器的器件開路故障診斷電路，其特征在于所述的信號(hào)調(diào)整單元包括全橋整流電路及第一分壓電阻、第二分壓電阻和濾波電容，所述的全橋整流電路由第一二極管、第二二極管、第三二極管和第四二極管組成，所述的第一二極管的正極與所述的第三二極管的負(fù)極連接，所述的第二二極管的正極與所述的第四二極管的負(fù)極連接，所述的第一二極管的正極與所述的第三二極管的負(fù)極的公共連接端及所述的第二二極管的正極與所述的第四二極管的負(fù)極的公共連接端接入隔離采樣后的電壓信號(hào)，所述的第一二極管的負(fù)極與所述的第二二極管的負(fù)極連接，且其公共連接端與所述的第一分壓電阻的一端連接，所述的第一分壓電阻的另一端與所述的第二分壓電阻的一端連接，且其公共連接端為所述的信號(hào)調(diào)整單元的輸出端，所述的第二分壓電阻的另一端、所述的第三二極管的正極和所述的第四二極管的正極均接地，所述的濾波電容并聯(lián)連接于所述的第二分壓電阻的兩端。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種二極管中點(diǎn)鉗位三電平逆變器的器件開路故障診斷電路，包括三個(gè)結(jié)構(gòu)相同的開路故障診斷單元電路，開路故障診斷單元電路由信號(hào)采樣單元、信號(hào)調(diào)整單元、窄脈沖過濾單元、第一和第二脈沖丟失檢測(cè)單元及上下橋臂電路判斷單元組成，利用信號(hào)采樣單元對(duì)橋臂電壓進(jìn)行隔離采樣，然后利用信號(hào)調(diào)整單元對(duì)隔離采樣后的電壓信號(hào)進(jìn)行整流、分壓和濾波處理，再利用窄脈沖過濾單元、第一和第二脈沖丟失單元判斷橋臂電路中的器件是否發(fā)生開路故障，同時(shí)利用上下橋臂電路判斷單元區(qū)分故障器件是上橋臂電路還是下橋臂電路中的器件，通過該開路故障診斷單元電路能夠準(zhǔn)確的檢測(cè)出三電平逆變器中的哪個(gè)器件發(fā)生開路故障，且診斷速度快、診斷精度高。
文檔編號(hào)G01R31/02GK102937688SQ20121042490
公開日2013年2月20日 申請(qǐng)日期2012年10月30日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月30日
發(fā)明者陳丹江 申請(qǐng)人:浙江萬里學(xué)院