韓 冉，曾廣淼，王榮杰,2

(1.集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建 廈門 361021；2.福建省船舶與海洋工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建 廈門 361021)

0 引言

Sepic斬波電路是開關(guān)電源6種DC-DC變換基本拓?fù)潆娐分?，是一種四階非線性系統(tǒng)，具有輸入電流脈動(dòng)小，輸出與輸入同極性，升降壓等特點(diǎn)[1-2]，在新能源汽車、光伏發(fā)電、工業(yè)設(shè)備等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[3-4]。但是由于變換器使用頻率較高，其中的功率開關(guān)管容易在工作中受到損壞，一旦產(chǎn)生故障，有可能會(huì)增加系統(tǒng)中其他器件的電壓和電流應(yīng)力，如果不及時(shí)有效地處理，將會(huì)導(dǎo)致二次故障，最終造成整個(gè)系統(tǒng)的崩潰，因此，對Sepic電路進(jìn)行故障診斷的研究是非常有必要的。開關(guān)故障大致分為開路故障(TOCF)和短路故障(TSCF)。比如二極管短路有可能會(huì)造成電源短路，電路過流會(huì)燒毀電源和負(fù)載，導(dǎo)致電路無法穩(wěn)定工作[5-6]，因此對二極管狀態(tài)的故障檢測也是非常重要的。文獻(xiàn)[7]以Boost變換器為對象，提出一種基于電感電流的故障診斷方法，分別采集相鄰3個(gè)時(shí)刻電流值，通過比較其大小進(jìn)行故障診斷，該方法可以在兩個(gè)開關(guān)周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)診斷，但電流量易受到負(fù)載擾動(dòng)的影響。文獻(xiàn)[8]對這種方法進(jìn)行了改進(jìn)，通過比較開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號和電感電流的斜率來實(shí)現(xiàn)故障的診斷定位。文獻(xiàn)[9]的方法可以在單管無變壓器型DC-DC變換器中使用，但卻不能擴(kuò)展到多開關(guān)管變換器。文獻(xiàn)[10]針對Boost變換器設(shè)計(jì)了診斷策略，選擇三電平結(jié)構(gòu)特有的輸入側(cè)的電容電壓作為診斷依據(jù)，但是通用性較差。文獻(xiàn)[11]中采用分壓電阻獲得開關(guān)管兩端電壓，與開關(guān)管驅(qū)動(dòng)比較進(jìn)行診斷，但其動(dòng)態(tài)特性有待檢驗(yàn)。文獻(xiàn)[12-13]對于傳統(tǒng)的降壓、升壓和升降壓電路在監(jiān)控方案中，僅對二極管狀態(tài)進(jìn)行檢測，從而實(shí)現(xiàn)對二極管和開關(guān)管的故障診斷。柵極驅(qū)動(dòng)器信號與二極管電壓特征相結(jié)合，在不同故障情況下，二極管電壓特征是不同的，可以作為判斷電路產(chǎn)生故障的依據(jù)。對于Sepic變換器而言，雖然二極管的故障率相對較低，但是如果二極管發(fā)生故障，將會(huì)對電源開關(guān)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，因此，Sepic變換器開關(guān)管和續(xù)流二極管的故障診斷為本文的研究重點(diǎn)。

1 Sepic變換器

Sepic變換器原理電路如圖1所示，Vin表示輸入電壓，Vo表示輸出電壓。

當(dāng)S(t)=1時(shí)，即晶閘管導(dǎo)通，Vin對L1充電，儲(chǔ)能電容C1對L2充電。理想狀態(tài)下開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)：Vin、L1、T和L2、D負(fù)載回路導(dǎo)通，其等效電路如圖2所示。

根據(jù)基爾霍夫電流定律(KCL)和基爾霍夫電壓定律(KVL)可以得出：Vin=Vn;Vc1=Vl2;ic2=Vo/R;ic1=-il2。其中：VL1和VL2分別表示電感L1和L2的電壓值；ic1和ic2分別表示電容C1和C2的電流值。

當(dāng)S(t)=0時(shí)，即晶閘管關(guān)斷，L1上的電荷會(huì)對儲(chǔ)能電容C1放電，L2上的電荷通過二極管對由C2和電阻組成的負(fù)載放電。也就是在理想狀態(tài)下開關(guān)管關(guān)閉時(shí)，Vin、L1、C1、D、負(fù)載和L2、D、負(fù)載回路導(dǎo)通，其等效電路如圖3所示。

同理，根據(jù) KCL、KVL 回路方程可以得出。Vin=VL1+VC1+Vo;-Vo=Vl2;ic2=ic1+il2-(Vo/R);ic1=il1。

穩(wěn)態(tài)時(shí)，電感兩端的電壓在一個(gè)周期內(nèi)對時(shí)間的積分為零。T處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，電感L1的電壓等于電源電壓Vin，電感L2的電壓為負(fù)載電壓Vc1；T處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，電感L1的電壓為Vin-Vc1-Vo，電感L2的電壓為-Vo。

(1)

由式(1)可得：

其中：α表示脈沖占空比；T處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，電容C1的電流等于 -il2，電容C2的電流為-Vo；T處于關(guān)斷狀態(tài)時(shí)，電容C1的電流值為il1，電容C2的電流為il1+il2-Vo/R。

(2)

由式(2)可得：

其中：?為占空比。由此可以得到Sepic電路通過控制占空比?來控制輸出和輸入之間的關(guān)系。

2 Sepic電路故障分析

2.1 開關(guān)管的故障分析

Sepic電路與傳統(tǒng)升降壓電路相比有著較大區(qū)別，C1電容的存在，導(dǎo)致輸入和輸出之間產(chǎn)生隔離，具有完全的關(guān)斷功能，如果開關(guān)管關(guān)閉，那么它的輸出電壓就會(huì)變成0。正常工作時(shí)門信號和開關(guān)管電流如圖4所示。

在理想狀態(tài)下,當(dāng)開關(guān)管關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，通過電流值為零；當(dāng)開關(guān)管開啟時(shí)，電源對L1進(jìn)行充電，充電結(jié)束時(shí)，itn表示正常工作時(shí)通過晶閘管的電流值。

由此可知，當(dāng)開關(guān)管處于導(dǎo)通狀態(tài)下，即S(t)=1時(shí)，it=itn>0。若通過晶閘管的電流it=0，很顯然開關(guān)管發(fā)生開路故障TOCF。TN表示正常工作狀態(tài)。

當(dāng)開關(guān)管發(fā)生短路TSCF時(shí)，在S(t)=0時(shí)，開關(guān)管依然有電流流過，電路中相當(dāng)于存在一個(gè)極小的電阻r，itn,max表示開關(guān)管正常工作時(shí)通過的電流最大值，顯然其開關(guān)管電流值會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正常工作下的電流值。開關(guān)管發(fā)生短路時(shí)，其等效電路如圖5所示。

由此可知，若開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，通過其電流值仍大于0，則發(fā)生開關(guān)管短路。

在不同狀態(tài)下，通過檢測開關(guān)管電流值就可以判斷開關(guān)管是否發(fā)生開路或者短路故障，可得

2.2 二極管故障分析

從模型分析的結(jié)論可以看出，由于C2電容的存在，負(fù)載兩端的電壓維持不變，用VO,N表示，正常條件下門信號和輸出電壓如圖6所示。

由此可以得出輸出電壓與門信號之間的關(guān)系，

如果二極管發(fā)生了開路故障(DOCF),由于正常工作(DN)下，負(fù)載兩端電壓的極性和輸入是一樣的，均大于零。當(dāng)S(t)=0時(shí)，儲(chǔ)能電感L2不能向負(fù)載放電，導(dǎo)致負(fù)載兩端電壓急劇下降至0。

如果二極管發(fā)生了短路故障(DSCF)，當(dāng)S(t)=0時(shí)，等效電路如圖7所示。

穩(wěn)態(tài)時(shí)，正常工作下負(fù)載兩端的電壓由于電容C2的存在，電壓數(shù)值保持恒定，極性和輸入相同，均大于零。若二極管發(fā)生開路故障，當(dāng)S(t)=0時(shí)，電感L1向C1放電，電容兩端電壓為正。即：

如果二極管發(fā)生了短路故障,當(dāng)S(t)=0時(shí)，等效電路如圖8所示。

穩(wěn)態(tài)時(shí)，電容C1向L2放電，電容C1兩端的電壓幅值下降,但是依然是一個(gè)正值；當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載兩端的電壓值和電容兩端電壓值大小相同，方向相反。即：

若二極管發(fā)生短路，負(fù)載兩端的電壓小于0，則Vo=-Vc1<0，

(3)

由式(3)可以得出：在開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載兩端電壓值小于零；二極管正常工作下，當(dāng)S(t)=1時(shí)，負(fù)載兩端電壓Vo>0。

因此在不同狀態(tài)下，通過檢測負(fù)載電壓值正負(fù)就可以判斷二極管是否發(fā)生開路或者短路故障，即：

從上述分析可以得出，在不同狀態(tài)下，開關(guān)管的電流特征和負(fù)載的電壓特征可以有效地反映當(dāng)前開關(guān)管和二極管的工作狀態(tài)。故障診斷流程如圖9所示。

由Sepic變換器本身的特點(diǎn)，負(fù)載兩端的電壓狀態(tài)只能反映二極管的狀態(tài)，而并不能反映開關(guān)管的狀態(tài)。如果開關(guān)管發(fā)生短路或者開路故障，輸出電壓值均為零，雖然能夠檢測出故障的產(chǎn)生，但是并不能有效判斷故障源。值得肯定的時(shí)，如果S(t)=1時(shí)，檢測到負(fù)載電壓值小于零，那么基本可以確定是發(fā)生了二極管短路故障(DSCF)。當(dāng)輸出電壓為零時(shí)就需要對開關(guān)管電流進(jìn)行檢測，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位故障源的目的。當(dāng)S(t)=1時(shí)，若電流為零，則是開關(guān)管開路(TOCF)；S(t)=0時(shí)，若電流大于零則是開關(guān)管短路(TSCF)，否則就是二極管發(fā)生了開路故障(DOCF)。因此可以通過它們之間的邏輯關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對二極管和開關(guān)管的故障檢測。故障診斷邏輯電路如圖10所示。

當(dāng)發(fā)生二極管短路故障(DSCF)時(shí)，觸發(fā)信號FS1從原信號1變?yōu)?，故障信號FS4從原信號1變?yōu)?；發(fā)生開關(guān)管開路(TOCF)時(shí)，故障信號FS2從原信號1變?yōu)?，故障信號FS4從原信號1變?yōu)?；發(fā)生開關(guān)管短路(TSCF)時(shí)，故障信號FS3從原信號1變?yōu)?，故障信號FS4從原信號1變?yōu)?；發(fā)生二極管開路(DOCF)時(shí)，故障信號FS4從原信號1變?yōu)?。故障診斷電路中邏輯信號值如表1所示。

表1 不同運(yùn)行條件下故障診斷電路中邏輯信號的值Tab.1 The value of the logic signal in the fault diagnosis circuitunder different operating conditions信號SignalDNDSCFTOCFTSCFDOCFFS110111FS211011FS311101FS410000

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了證實(shí)上述理論和分析，對Sepic電路進(jìn)行仿真。

參數(shù)設(shè)置：直流電壓源，Vin=25 V；脈寬設(shè)置為50%；L1=L2=0.4 mH；C1=28 μF；C2=43 μF[14]。

對不同的故障情況進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖11～圖16所示。仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)：當(dāng)二極管正常工作時(shí)，其輸出電壓始終是一個(gè)正值；若二極管發(fā)生短路，在開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，輸出電壓為負(fù)值；若輸出電壓降為0，當(dāng)觸發(fā)信號來臨時(shí)，開關(guān)管電流依然為0，說明開關(guān)管并沒有導(dǎo)通，開關(guān)管發(fā)生開路；當(dāng)觸發(fā)信號關(guān)閉，開關(guān)管電流不為0，產(chǎn)生很大的短路電流，說明開關(guān)管發(fā)生短路；否則就是二極管發(fā)生開路故障。

正常工作時(shí)，無論開關(guān)管處在什么狀態(tài)，輸出電壓不變，如圖11所示。

當(dāng)續(xù)流二極管發(fā)生開路時(shí)，無論開關(guān)管是否導(dǎo)通，輸出電壓始終為0，如圖12所示。當(dāng)續(xù)流二級管發(fā)生短路時(shí)，輸出電壓在開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，輸出電壓為負(fù)值，如圖13所示。

由仿真結(jié)果可以得出，當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，若輸出電壓為負(fù)值，則發(fā)生二極管短路故障；若輸出電壓為0，則發(fā)生二極管開路故障。正常工作時(shí)，當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電流值逐漸增加，開關(guān)管關(guān)閉時(shí)，電流降為0，如圖14所示。

當(dāng)開關(guān)管開路時(shí)，開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)電流始終為0，如圖15所示。當(dāng)開關(guān)短路時(shí)，開關(guān)管關(guān)斷是，其電流值大于0，如圖16所示。

由圖12～圖16可以看出，不同的故障類型，負(fù)載電壓和開關(guān)管電流所表現(xiàn)出來的特征有所不同，因此可以通過它們之間存在的邏輯關(guān)系，構(gòu)造用于診斷開關(guān)和二極管故障的指示器，通過邏輯電路引出4種信號端，并分別用來表示不同的故障信號。正常運(yùn)行狀態(tài)下4種信號端分別為1111；若發(fā)生二極管短路，信號端變?yōu)?110；若發(fā)生開關(guān)管開路，信號端變?yōu)?010；若發(fā)生開關(guān)管短路，信號端變?yōu)?100；若發(fā)生二極管短路，信號端變?yōu)?110。

4 結(jié)論

本文基于Sepic變換器的特點(diǎn)提出一種開關(guān)管故障診斷方法。首先對Sepic變換器進(jìn)行建模，分析續(xù)流二極管和開關(guān)管在發(fā)生故障時(shí)，負(fù)載電壓和開關(guān)管電流在不同柵極信號下，表現(xiàn)出來的故障特征。然后通過與正常工作時(shí)的負(fù)載電壓和開關(guān)管電流特征進(jìn)行對比，找出故障信號與柵極信號之間存在的邏輯關(guān)系。最后對開關(guān)管短路、開關(guān)管開路、二極管開路、二極管短路進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在不同的故障類型下，故障信號特征差異明顯，容易區(qū)分，具有較高的故障診斷率。同時(shí)該方法在一些微電網(wǎng)DC-DC變換器故障診斷中，也同樣適用。