本發(fā)明涉及一種診斷逆變器故障的方法，特別的是，該方法可用于診斷并聯(lián)IGBT逆變器中的故障，該方法通過IGBT導通壓降與三相電壓，檢測并定位逆變器中IGBT故障，從而提早發(fā)現(xiàn)并報告故障，提高穩(wěn)定性和安全性。

背景技術(shù)：

逆變器是以其優(yōu)越的性能在工業(yè)、電動汽車、高速列車等領域得到廣泛應用，但由于長期工作在高溫、高壓、高頻的狀態(tài)，其核心部件絕緣柵雙極型晶體管(Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT)老化程度迅速，成為列車安全的潛在威脅。IGBT的損壞會增加其它功率器件的工作負擔，進而導致更為嚴重的二次事故，最終造成列車運行事故。盡管在逆變器功率器件IGBT的驅(qū)動電路中加入了保護電路，但負載擾動、電網(wǎng)擾動、空間電磁干擾等都會導致保護系統(tǒng)失效。

然而，對于高功率輸出的逆變器，常采用并聯(lián)IGBT的方案。目前很多研究致力于對逆變器故障診斷方法的研究多集中在普通的逆變器，這些方法不能適用并聯(lián)IGBT這種特殊工況。現(xiàn)有研究在對逆變器故障診斷過程中常利用數(shù)據(jù)分析的方法提取特征值，這樣不但增加了系統(tǒng)的硬件成本要求，而且延遲了診斷時間。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明所解決的技術(shù)問題是，針對并聯(lián)IGBT逆變器這一特殊工況下的故障診斷問題，提出了一種并聯(lián)IGBT逆變器故障診斷方法，能快速診斷逆變器故障。

本發(fā)明提供了一種基于布爾矩陣和導通壓降的并聯(lián)IGBT逆變器故障的診斷方法。

本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：

一種并聯(lián)IGBT逆變器故障的診斷方法，包括以下步驟：

步驟一、連續(xù)采集逆變器輸出的三相相電壓u_i(k)，i＝a,b,c，k＝1,2,…，k為采樣次數(shù)，并根據(jù)三相相電壓的大小，建立三相電壓矩陣U(k)＝[u_a u_b u_c]，其中，三相電壓矩陣中各元素的二進制取值方法為：

即當相電壓大于0時，相電壓矩陣中相應位置的元素為1，反之為0。

將U(k)進行十進制轉(zhuǎn)換，得到狀態(tài)量U_k＝(u_cu_bu_a)₂＝4u_c+2u_b+u_a；至此采樣的三相相電壓狀態(tài)可以由一個十進制數(shù)字表示，每個狀態(tài)都對應獨立的控制信號狀態(tài)和IGBT導通壓降狀態(tài)；

步驟二、采集IGBT導通壓降V_i(k)，i＝1,2,3,4,5,6，分別對應a相上、下橋臂，b相上、下橋臂，c相上、下橋臂；再將V_i(k)與閾值壓降V_ce進行比較，并將比較結(jié)果構(gòu)成IGBT壓降布爾矩陣矩陣元素的取值如下：

即V_i(k)大于V_ce時，其在矩陣V(k)中的相應元素V_i為1，反之相應元素為0，

求矩陣V(k)第一行row₁與第二行row₂之差，記為D(k)＝row₁-row₂＝[d₁ d₂ d₃]；對D(k)中每個元素取絕對值后相加，得到d＝|d₁|+|d₂|+|d₃|(d∈{0,1,2,3})；若d＝3，說明沒有故障；否則，若d∈{0,1,2}，即V(k)中有一列同時為0或者1，則說明電路出現(xiàn)故障，進入步驟三；

步驟三、將V(k)第二行row₂轉(zhuǎn)換為十進制，得到V_k＝(V₆V₄V₂)₂＝4V₆+2V₄+V₂；比較V_k與U_k，若V_k與U_k不相等，則為單支或多支非并聯(lián)IGBT故障，進一步對比row₂與U(k)，元素值不相等的列對應的橋臂為故障橋臂(第1、2和3列分別對應a相橋臂、b相橋臂和c相橋臂)；否則為并聯(lián)IGBT同時故障，進入步驟四；

步驟四、將U_k輸入集合F，F(xiàn)中的元素屬于{0,1,2,3,4,5,6,7}，F(xiàn)的初始值為空；當U_k的值發(fā)生六次狀態(tài)變化，將F與故障集合FS_i做比較，判斷故障位置；若F＝FS_i，則說明FS_i對應的半橋臂的IGBT發(fā)生故障，F(xiàn)S1～FS6分別對應a相上、下橋臂，b相上、下橋臂，c相上、下橋臂；故障集合FS_i取值如下：

FS₁＝{(a b 0)₂|a,b∈{0,1}}＝{0,2,4,6}

FS₂＝{(a b 1)₂|a,b∈{0,1}}＝{1,3,5,7}

FS₃＝{(a 0 c)₂|a,c∈{0,1}}＝{0,1,4,5}

FS₄＝{(a 1 c)₂|a,c∈{0,1}}＝{2,3,6,7}

FS₅＝{(0 b c)₂|b,c∈{0,1}}＝{0,1,2,3}

FS₆＝{(1 b c)₂|b,c∈{0,1}}＝{4,5,6,7}。

所述步驟一中采樣周期根據(jù)IGBT驅(qū)動電路進行適當調(diào)整。本發(fā)明在仿真過程中采樣周期為1ms。

所述步驟二中閾值壓降V_ce設置為導通壓降的二倍。

本發(fā)明的原理為：

如圖1所示，并聯(lián)IGBT逆變器共有三相，每相有上下兩個橋臂，每個橋臂包括兩個并聯(lián)的IGBT，這兩個IGBT對電路有分流作用，這樣可以承擔更高的線電流，以提高更高的輸出功率。

當兩個并聯(lián)的IGBT中有一個發(fā)生故障，該橋臂所有電流由與之并聯(lián)的IGBT全部承擔。又IGBT工作在飽和區(qū)，在該區(qū)域中導通壓降與導通電流在一定范圍內(nèi)上呈線性關系，因此，當一個IGBT發(fā)生故障時，與之并聯(lián)的IGBT導通壓降會隨之增大，加之高頻、大電流的工作狀態(tài)，IGBT溫度驟升，同樣產(chǎn)生增大導通壓降的效果。因此，當V(k)中有一列同時為0或者1，判定此時逆變器出現(xiàn)IGBT故障。

并聯(lián)IGBT逆變器故障診斷框圖如圖2所示，根據(jù)逆變器電路結(jié)構(gòu)，僅考慮IGBT故障問題，將逆變器故障分為兩類：第一類是并聯(lián)IGBT同時發(fā)生開路故障，第二類是單支或多支非并聯(lián)IGBT故障。利用導通壓降布爾矩陣與三相電壓矩陣對比可以診斷單管故障；利用故障序列對比，進行并聯(lián)IGBT同時開路故障。

本發(fā)明的有益效果是：

該方法能適應并聯(lián)IGBT的逆變器這一特殊工況，獨立于系統(tǒng)控制算法，因此不受系統(tǒng)控制影響；該方法不進行復雜的數(shù)學變換，降低了診斷方法的算法復雜度和時間復雜度，從而減少了對故障診斷系統(tǒng)的硬件依賴；根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，此方法能大大減小了IGBT開路故障診斷延時，提高了診斷效率。

附圖說明

圖1為并聯(lián)IGBT逆變器電路原理圖

圖2為故障診斷框圖

圖3為故障診斷流程圖

具體實施方式

以下結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明進行進一步具體說明。

本發(fā)明公開了一種并聯(lián)IGBT逆變器故障的診斷方法，包括以下步驟：

步驟一、連續(xù)采集逆變器輸出的三相相電壓u_i(k)，i＝a,b,c，k＝1,2,…，k為采樣次數(shù)(采樣周期根據(jù)IGBT驅(qū)動電路進行適當調(diào)整。本發(fā)明在仿真過程中采樣周期為1ms)，并根據(jù)三相相電壓的大小，建立三相電壓矩陣U(k)＝[u_a u_b u_c]，其中，三相電壓矩陣中各元素的二進制取值方法為：

即當相電壓大于0時，相電壓矩陣中相應位置的元素為1，反之為0。

將U(k)進行十進制轉(zhuǎn)換，得到狀態(tài)量U_k＝(u_cu_bu_a)₂＝4u_c+2u_b+u_a；至此采樣的三相相電壓狀態(tài)可以由一個十進制數(shù)字表示，每個狀態(tài)都對應獨立的控制信號狀態(tài)和IGBT導通壓降狀態(tài)；

步驟二、采集IGBT導通壓降V_i(k)，i＝1,2,3,4,5,6，分別對應a相上、下橋臂，b相上、下橋臂，c相上、下橋臂；再將V_i(k)與閾值壓降V_ce(設置為導通壓降的二倍)進行比較，并將比較結(jié)果構(gòu)成IGBT壓降布爾矩陣矩陣元素的取值如下：

即V_i(k)大于V_ce時，其在矩陣V(k)中的相應元素V_i為1，反之相應元素為0，

求矩陣V(k)第一行row₁與第二行row₂之差，記為D(k)＝row₁-row₂＝[d₁ d₂ d₃]；對D(k)中每個元素取絕對值后相加，得到d＝|d₁|+|d₂|+|d₃|(d∈{0,1,2,3})；若d＝3，說明沒有故障；否則，若d∈{0,1,2}，即V(k)中有一列同時為0或者1，則說明電路出現(xiàn)故障，進入步驟三；

步驟三、將V(k)第二行row₂轉(zhuǎn)換為十進制，得到V_k＝(V₆V₄V₂)₂＝4V₆+2V₄+V₂；比較V_k與U_k，若V_k與U_k不相等，則為單支或多支非并聯(lián)IGBT故障，進一步對比row₂與U(k)，元素值不相等的列對應的橋臂為故障橋臂(第1、2和3列分別對應a相橋臂、b相橋臂和c相橋臂)；否則為并聯(lián)IGBT同時故障，進入步驟四；

步驟四、將U_k輸入集合F，F(xiàn)中的元素屬于{0,1,2,3,4,5,6,7}，F(xiàn)的初始值為空；當U_k的值發(fā)生六次狀態(tài)變化，將F與故障集合FS_i做比較，判斷故障位置；若F＝FS_i，則說明FS_i對應的半橋臂的IGBT發(fā)生故障，F(xiàn)S1～FS6分別對應a相上、下橋臂，b相上、下橋臂，c相上、下橋臂；故障集合FS_i取值如下：

FS₁＝{(a b 0)₂|a,b∈{0,1}}＝{0,2,4,6}

FS₂＝{(a b 1)₂|a,b∈{0,1}}＝{1,3,5,7}

FS₃＝{(a 0 c)₂|a,c∈{0,1}}＝{0,1,4,5}

FS₄＝{(a 1 c)₂|a,c∈{0,1}}＝{2,3,6,7}

FS₅＝{(0 b c)₂|b,c∈{0,1}}＝{0,1,2,3}

FS₆＝{(1 b c)₂|b,c∈{0,1}}＝{4,5,6,7}。

對本發(fā)明進行實驗，分別設置不同的故障注入時間，對單只IGBT和半橋注入故障，得到診斷延時結(jié)果如下：

表1 單只IGBT診斷延時

表2 半橋故障診斷延時

此外，在隨機時間，對隨機IGBT注入故障，最終得到所有實驗樣本的綜合結(jié)果為：平均診斷延遲為42.3ms，平均準確率為97.2％，說明了本發(fā)明故障診斷方法的實時性和有效性。