本發(fā)明屬于大功率模塊化直流變換器技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種基于磁性元件電壓的模塊化dc-dc變換器故障診斷裝置及方法。

背景技術(shù)：

近年來，模塊化dc-dc變換(directcurrent-directcurrentconversion)器因其靈活性和可擴(kuò)展性被廣泛應(yīng)用于大功率功率變換場合，通過對基礎(chǔ)模塊不同方式的組合可以滿足各種應(yīng)用需求。當(dāng)單一模塊出現(xiàn)故障時，如果不及時處理會造成整個系統(tǒng)失靈。為預(yù)防這種情況的發(fā)生，需要找到一種快速有效的故障診斷方法，及時檢測到故障的發(fā)生以采取必要的容錯措施。在實際工作中，相對于控制和驅(qū)動電路，主電路更容易發(fā)生故障，電力電子變換器最常見的故障是開關(guān)管故障，主要包括開路和短路故障?，F(xiàn)有的針對模塊化dc-dc變換器的診斷技術(shù)主要是針對單個dc-dc變換器而言的。

現(xiàn)有技術(shù)對于單個dc-dc變換器的開關(guān)管故障診斷包括兩個方向：以控制變量作為診斷依據(jù)或以電路特征量作為診斷依據(jù)；以控制變量為依據(jù)進(jìn)行診斷，無需增加額外的成本，但診斷速度慢；應(yīng)用到模塊化系統(tǒng)中時，由于用于診斷的控制量較多，為保證速度對控制器的計算速度要求較高，需要使用昂貴的控制單元；以電路特征量如近場信號作為診斷依據(jù)時，雖然診斷速度快，但需在dc-dc變換器中添加大量額外的傳感器，增加了成本。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種基于磁性元件電壓的模塊化dc-dc變換器故障診斷裝置及方法，其目的在于提高dc-dc變換器故障診斷速度和準(zhǔn)確度。

為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種基于磁性元件電壓的模塊化dc-dc變換器故障診斷裝置，包括多個信號處理電路與一個故障診斷電路；信號處理電路的數(shù)量與待診斷模塊化dc-dc變換器的模塊數(shù)相同；

信號處理電路的輸入端用于接入模塊化dc-dc變換器的磁性元件電壓信號，輸出端與故障診斷電路的輸入端相連；通過故障診斷電路的輸出端輸出故障指示信號；

信號處理電路用于對磁性元件電壓信號進(jìn)行濾波整形；故障診斷電路用于對濾波整形后的磁性元件電壓信號進(jìn)行邏輯轉(zhuǎn)換以及比較，根據(jù)比較結(jié)果輸出故障指示信號。

優(yōu)選的，上述模塊化dc-dc變換器故障診斷裝置，其信號處理電路包括調(diào)理電路和電壓比較器；其中，調(diào)理電路的輸入端作為信號處理電路的輸入端，電壓比較器的輸入端與調(diào)理電路的輸出端相連，電壓比較器的輸出端作為信號處理電路的輸出端；

調(diào)理電路用于對磁性元件電壓進(jìn)行濾波整形，電壓比較器用于把濾波整形后的磁性元件電壓轉(zhuǎn)換為邏輯信號。

優(yōu)選的，上述模塊化dc-dc變換器故障診斷裝置，其調(diào)理電路包括兩個級聯(lián)的反向放大電路；

其中一個反向放大電路包括第一運算放大器n1、第一電阻r1、第二電r2和第一濾波電容c；第一運算放大器n1的輸入正端與第一電阻r1的一端相連，第一電阻r1的另一端用于連接磁性元件電壓信號vi的正端；第一運算放大器n1的輸入負(fù)端用于連接磁性元件電壓信號vi的負(fù)端；第一運算放大器n1的輸入正端與第一運算放大器n1的輸出端之間并聯(lián)有第二電r2和第一濾波電容c；

另一個反向放大電路包括第二運算放大器n2、第三電阻r3、第四電r4；第二運算放大器n2的輸入正端接地，第二運算放大器n2的輸入負(fù)端與第一運算放大器n1的輸出端之間串聯(lián)有第三電阻r3，第二運算放大器n2的輸入負(fù)端與第二運算放大器n2的輸出端之間并聯(lián)有第四電阻r4。

優(yōu)選的，上述模塊化dc-dc變換器故障診斷裝置，其故障診斷電路包括延時電路、整形電路、同或門電路和鎖存器電路；

延時電路的輸入端作為故障診斷電路的輸入端、整形電路的輸入端與延時電路的輸出端相連；同或門電路的輸入端與電壓比較器的輸出端相連；鎖存器電路的輸入端與同或門的輸出端相連，鎖存器的輸出端作為故障診斷電路的輸出端；

其中，延時電路用于對模塊化dc-dc變換器的dc-dc變換模塊對應(yīng)的邏輯信號進(jìn)行延時調(diào)節(jié)；整形電路用于將延時電路的輸出信號整形成標(biāo)準(zhǔn)的脈沖信號；同或門電路用于對dc-dc變換模塊所對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)脈沖信號進(jìn)行兩兩比較；鎖存器電路用于保存同或門電路輸出的信號，作為模塊化dc-dc變換器是否出現(xiàn)故障以及對故障進(jìn)行定位的故障指示信號。

按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種基于磁性元件電壓的模塊化dc-dc變換器故障診斷方法，將模塊化dc-dc變換器內(nèi)各dc-dc變換模塊的磁性元件電壓轉(zhuǎn)換為邏輯信號后采用邏輯門進(jìn)行比較，將比較結(jié)果進(jìn)行鎖存后作為故障指示信號。

優(yōu)選地，上述基于磁性元件電壓的模塊化dc-dc變換器故障診斷方法，通過在各dc-dc變換模塊的磁性元件磁芯上增加輔助繞組，獲得按比例縮小的磁性元件電壓信號。

優(yōu)選地，上述基于磁性元件電壓的模塊化dc-dc變換器故障診斷方法，故障診斷電路的輸出作為模塊化系統(tǒng)是否出現(xiàn)故障以及對故障進(jìn)行定位的標(biāo)志；

當(dāng)故障指示信號為高電平組合，指示模塊化dc-dc變換器在正常狀態(tài)下；當(dāng)故障指示信號為高、低電平組合，則判定模塊化dc-dc變換器發(fā)生故障。

優(yōu)選的，上述基于磁性元件電壓的模塊化dc-dc變換器故障診斷方法，采用以下轉(zhuǎn)換式將電壓信號轉(zhuǎn)換為邏輯信號：

其中，vth是邏輯轉(zhuǎn)換閾值電壓，smi是邏輯信號，vmi是磁性元件電壓。

總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有益效果：

(1)本發(fā)明提供的基于磁性元件電壓的模塊化dc-dc變換器故障診斷裝置，易于集成，體積小，成本低，無需復(fù)雜控制算法；

(2)本發(fā)明提供的基于磁性元件電壓的模塊化dc-dc變換器故障診斷方法，通過在dc-dc變換模塊的磁芯上添加輔助繞組即可獲得磁性元件電壓，不用增加昂貴的傳感器，降低了測試復(fù)雜度、降低了故障診斷的成本；

(3)本發(fā)明提供的基于磁性元件電壓的模塊化dc-dc變換器故障診斷裝置及方法，由于不依賴于固定的故障門限值，而是通過比對模塊化dc-dc變換器內(nèi)dc-dc變換模塊磁性元件電壓時序的一致性來判斷并定位故障，因此在寬輸入電壓范圍下能保證診斷結(jié)果的準(zhǔn)確性，可靠性高；

(4)本發(fā)明提供的基于磁性元件電壓的模塊化dc-dc變換器故障診斷裝置及方法，由于磁性元件電壓的形狀將在故障發(fā)生后立刻發(fā)生變化，因此可以在一個開關(guān)周期內(nèi)檢測到故障，診斷速度快。

附圖說明

圖1是實施例中在磁性元件上添加輔助繞組的示意圖；

圖2為實施例中磁性元件電壓調(diào)理電路；

圖3為實施例中以三模塊dc-dc變換器為例的故障診斷電路示意圖；

圖4是實施例中模擬模塊2開關(guān)管發(fā)生開路故障后的測試波形；

圖5是實施例中模擬模塊2開關(guān)管發(fā)生短路故障后的測試波形。

在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中：1-調(diào)理電路、2-電壓比較器、3-延時電路、4-整形電路、5-同或門電路、6-鎖存器電路。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

本發(fā)明提供的基于磁性元件電壓的模塊化dc-dc變換器故障診斷方法以磁性元件電壓為診斷依據(jù)，譬如電感電壓或變壓器原邊電壓；在實施例中如圖1所示在模塊化dc-dc變換器的dc-dc變換模塊的磁性元件磁芯上增加輔助繞組，由此獲得按比例縮小的磁性元件電壓信號vi，縮放比例根據(jù)磁性元件的原始繞組與輔助繞組的匝比確定；將磁性元件電壓信號vi送到基于磁性元件電壓的模塊化dc-dc變換器故障診斷裝置進(jìn)行故障的識別。

以下結(jié)合對三模塊dc-dc變換器系統(tǒng)的進(jìn)行故障診斷的實施例，具體闡述本發(fā)明提供的基于磁性元件電壓的模塊化dc-dc變換器故障診斷裝置及方法；本實施例中，診斷裝置主要包括三個如圖2所示的信號處理電路與一個如圖3所示的故障診斷電路；每個dc-dc變換模塊的磁性電壓信號對應(yīng)一個信號處理電路，故障診斷電路具有3個輸入端，每個輸入端對應(yīng)連接一個信號處理電路的輸出端；故障診斷電路的輸出作為模塊化dc-dc變換器是否出現(xiàn)故障以及對故障進(jìn)行定位的標(biāo)志。

本實施例中，信號處理電路包括依次相連的調(diào)理電路1和電壓比較器2；如圖2所示，調(diào)理電路1由兩個反向放大電路級聯(lián)構(gòu)成，其中一個反向放大電路包括運算放大器n1、電阻r1、r2、濾波電容c；運算放大器n1的輸入正端與電阻r1的一端相連，電阻r1的另一端用于連接磁性元件電壓信號vi的正端；運算放大器n1的輸入負(fù)端用于連接磁性元件電壓信號vi的負(fù)端；運算放大器n1的輸入正端與運算放大器n1的輸出端之間并聯(lián)有電阻r2和濾波電容c；

另一個反向放大電路包括運算放大器n2、電阻r3、r4；運算放大器n2的輸入正端接地，運算放大器n2的輸入負(fù)端與運算放大器n1的輸出端之間串聯(lián)有電阻r3，運算放大器n2的輸入負(fù)端與運算放大器n2的輸出端之間并聯(lián)有電阻r4；運算放大器的放大倍數(shù)可以通過改變r1、r2、r3、r4阻值進(jìn)行調(diào)節(jié)，電容c對電壓信號進(jìn)行濾波。

調(diào)理電路輸出連接電壓比較器2；電壓比較器2包括運算放大器n3，運算放大器n3的輸入正端與運算放大器n2的輸出端相連，輸出負(fù)端用于輸入邏輯轉(zhuǎn)換閾值電壓信號vth，運算放大器n3的輸出端作為連接電壓比較器2的輸出端，輸出邏輯信號smi。

如圖3所示，本實施例的故障診斷電路，故障診斷電路包括依次相連的延時電路3、整形電路4、同或門電路5和鎖存器電路6；

延時電路3的3個輸入端分別與三個信號處理電路的輸出端相連；延時電路3包括3個延時模塊，每個延時模塊包括兩條并聯(lián)的二極管串聯(lián)滑動變阻器支路和電容；譬如，第一個延時模塊包括d1、r5、d2、r6、c1；其中，d1、r5串聯(lián)構(gòu)成一條二極管串聯(lián)滑動變阻器支路，d2、r6串聯(lián)構(gòu)成另一條二極管串聯(lián)滑動變阻器支路；

整形電路4的3個輸入端分別與延時電路3的3個輸出端相連；整形電路4包括并列的電壓比較器n1、n2、n3，電壓比較器n1、n2、n3的輸入正端分別作為整形電路4的輸入端用于與延時電路3的3個輸出端相連，輸入負(fù)端用于輸入標(biāo)準(zhǔn)脈沖閾值電壓信號vth1；

同或門電路5包括同或門n4、n5、n6；電壓比較器n1、n2、n3的輸出端兩兩一組作為同或門電路5的輸入；

接鎖存器電路6包括rs鎖存器n7、n8、n9、開關(guān)s和電阻r11，rs鎖存器n7、n8、n9的s端分別與同或門n4、n5、n6的輸出相連；其中開關(guān)s控制鎖存器工作，當(dāng)s閉合時，鎖存器鎖存輸入信號低電平；s關(guān)斷時，鎖存器不鎖存任何信號，而鎖存器的輸出fs1、fs2、fs3作為故障診斷裝置的故障診斷依據(jù)；

模塊化dc-dc變換器在正常工作狀態(tài)下，同或門均輸出高電平；模塊化dc-dc變換器在故障狀態(tài)下，輸入信號為故障模塊邏輯信號的同或門則輸出脈沖形狀的信號，無法正常指示故障情況，因此通過鎖存器將故障發(fā)生后的第一個低電平予以保存，作為相應(yīng)的故障指示信號。

以下結(jié)合實施例和附圖，具體闡述本發(fā)明的工作原理如下：

(1)dc-dc變換器系統(tǒng)的第i磁性元件電壓信號vi經(jīng)過如圖2所示的調(diào)理電路1進(jìn)行濾波和比例的調(diào)節(jié)，濾波后的電壓信號通過比較器電路2轉(zhuǎn)換為邏輯信號smi；

(2)dc-dc變換器系統(tǒng)的第i模塊的磁性元件電壓信號對應(yīng)邏輯信號smi；由于各個模塊開關(guān)管的開通、關(guān)斷延時以及硬件延時的差異，各模塊的邏輯信號smi間存在不同步，若直接通過同或邏輯門進(jìn)行比較易造成誤診斷；采用延時電路3對dc-dc變換器系統(tǒng)的各模塊對應(yīng)的邏輯信號進(jìn)行延時調(diào)節(jié)，延時后的信號通過比較器4整形成標(biāo)準(zhǔn)的脈沖信號；通過調(diào)整延時電路3的滑阻的大小使得dc-dc變換器系統(tǒng)的各模塊在非故障狀態(tài)下進(jìn)入邏輯門進(jìn)行比較的信號smri保持同步，避免誤診斷；

(3)延時處理后的信號smri通過同或門電路5兩兩間進(jìn)行對比；正常工作狀態(tài)下，各路信號smri保持同步，同或門輸出fi保持為高電平；當(dāng)dc-dc變換器系統(tǒng)有模塊出現(xiàn)故障時，以故障模塊電壓邏輯信號為輸入的同或門輸出fi會出現(xiàn)高低電平變化的狀態(tài)，經(jīng)過rs鎖存器電路6鎖存其低電平狀態(tài)，將鎖存器輸出fsi作為故障診斷依據(jù)；fsi的取值指示了系統(tǒng)的工作狀態(tài)：系統(tǒng)正常工作時，所有診斷信號fsi保持為高電平；當(dāng)其中一個模塊故障時，該模塊對應(yīng)診斷信號fsi變?yōu)榈碗娖剑ㄟ^所有診斷信號的狀態(tài)組合實現(xiàn)對故障模塊進(jìn)行定位。

采用實施例提供的基于磁性元件電壓的模塊化dc-dc變換器故障診斷裝置對三模塊dc-dc變換器系統(tǒng)進(jìn)行故障診斷的過程如下：

接入該診斷裝置后，系統(tǒng)上電，在額定工作電壓下調(diào)節(jié)延時電路3，使得正常狀態(tài)下同或門電路5的各輸出信號始終保持為高電平，避免誤診斷；調(diào)節(jié)好延時電路后，閉合鎖存器電路6中的開關(guān)s，鎖存器開始工作，診斷電路也進(jìn)入工作狀態(tài)；在三模塊dc-dc變換器系統(tǒng)的各模塊均正常工作時鎖存器電路6輸出的診斷信號保持為高。

圖4所示是模擬三模塊dc-dc變換器系統(tǒng)的模塊2的開關(guān)管發(fā)生開路故障的測試波形；當(dāng)開關(guān)管開路時，模塊2的磁性元件電壓邏輯信號sm2變?yōu)榈?，與其他正常模塊的邏輯信號sm1、sm3不再一致；以sm2為輸入的同或門輸出f1、f2會出現(xiàn)低電平，經(jīng)過鎖存器鎖存后，fs1、fs2變?yōu)榈碗娖剑甘竟收系陌l(fā)生。

圖5所示是模擬三模塊dc-dc變換器系統(tǒng)的模塊2的開關(guān)管發(fā)生短路故障的測試波形；當(dāng)開關(guān)管短路時，模塊2的磁性元件電壓邏輯信號sm2變?yōu)楦撸詓m2為輸入的同或門輸出f1、f2出現(xiàn)低電平，經(jīng)過鎖存器鎖存后，fs1、fs2變?yōu)榈碗娖剑甘竟收系陌l(fā)生；而由fs1、fs2、fs3電平狀態(tài)001的組合，可以確定模塊2發(fā)生故障；本實施例中，故障與診斷信號對應(yīng)關(guān)系具體如下表所列；

故障與診斷信號對應(yīng)關(guān)系列表

故障診斷裝置的輸出信號fs1fs2fs3均為高電平時，表明三模塊dc-dc變換器系統(tǒng)的三個模塊均正常；當(dāng)輸出信號fs2為高電平、輸出信號fs1、fs3為低電平，指示三模塊dc-dc變換器系統(tǒng)的模塊1發(fā)生了故障；當(dāng)輸出信號fs3為高電平、輸出信號fs1、fs2為低電平，指示三模塊dc-dc變換器系統(tǒng)的模塊2發(fā)生了故障；當(dāng)輸出信號fs1為高電平、輸出信號fs2、fs3為低電平，指示三模塊dc-dc變換器系統(tǒng)的模塊3發(fā)生了故障。

從圖4與圖5可以看出本實施例提供的故障診斷裝置及方法，可以在一個開關(guān)周期內(nèi)檢測到故障的發(fā)生并對故障進(jìn)行定位，效果明顯。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。