管 碩 馬建軍 朱 淼 張德楨

計及二次側(cè)開關(guān)開路故障的半有源橋變換器多模式容錯運行策略

管 碩1馬建軍2朱 淼3張德楨4

（1. 上海電力大學電氣工程學院 上海 200090 2. 上海交通大學國家電投智慧能源創(chuàng)新學院 上海 200240 3. 上海交通大學電子信息與電氣工程學院 上海 200240 4. 國網(wǎng)上海市電力公司特高壓換流站分公司 上海 201413）

半有源橋（S-DAB）變換器廣泛適用于電動汽車充電、光伏發(fā)電等僅需單向功率流的多種場景。針對二次側(cè)開關(guān)開路故障，為了提高S-DAB的可靠性，需要采取容錯運行策略抑制故障電流保證高可靠性運行。該文分析S-DAB正常運行模式的工作原理。在此基礎(chǔ)上，提出S-DAB變換器二次側(cè)開關(guān)發(fā)生開路故障時故障診斷與容錯單有源橋（SAB）運行方法。所提出的故障診斷策略只需要一個額外的電壓傳感器能夠識別二次側(cè)故障開關(guān)位置。在實現(xiàn)故障定位后，基于所提容錯SAB方法，能夠保證開路故障后，變換器仍具備一定的功率傳輸能力。所提方法能夠以較低的成本提高變換器容錯運行的可靠性。實驗結(jié)果驗證了所提出的故障診斷策略與容錯SAB模式的有效性。

半有源橋（S-DAB）變換器 開路故障 故障診斷 容錯運行 可靠性

0 引言

隔離型DC-DC變換器因其具備電流隔離、高可靠性、自然軟開關(guān)以及適于模塊化設計等特性廣泛應用于許多能量轉(zhuǎn)換應用中[1-4]，如光伏發(fā)電、海上風電、燃料電池和電動汽車[5-8]。針對僅需要單向功率流應用的隔離型DC-DC變換器的一種主要拓撲結(jié)構(gòu)——半有源橋（Semi-Dual Active Bridge, S- DAB），與已廣泛應用的雙有源橋（Dual Active Bridge, DAB）變換器相比，其保留了DAB大部分優(yōu)勢的同時，具有的開關(guān)管數(shù)量更少，拓展的零電壓開通（Zero Voltage Switching, ZVS）范圍允許輸入、輸出電壓大范圍變化，以及輸出濾波電容降低等特點[9-11]。為了保證二次側(cè)兩個開關(guān)在較寬負載范圍內(nèi)仍能實現(xiàn)零電壓開關(guān)，提出了一種適用于低電壓應用的電流饋電半有源橋直流變換器來降低環(huán)流，但需要額外的電感元件，增加成本且功率密度低[12]，此外，還提出了一種改進的邊界模式用于降低開關(guān)的傳導損耗[13]。將S-DAB應用于直流快速充電站中連接電池儲能系統(tǒng)和電動汽車電池，能夠有效地提高充電基礎(chǔ)設施的可用性，并具備電壓寬范圍調(diào)節(jié)、高效率等特性[14]。為滿足S-DAB應用于電池充電器的全負載工作要求，提出了一種針對S-DAB的多模式控制策略，可以提高其在輕載工況下的轉(zhuǎn)換效率[15]。

關(guān)于電力電子變換器可靠性的工業(yè)調(diào)查結(jié)果表明，功率半導體器件是最容易發(fā)生故障的組件[16]。變換器的半導體開關(guān)發(fā)生短路故障通常由驅(qū)動器電路故障、過電壓或溫度過沖等原因引起[17-19]，此時，短路電流特別大時甚至會發(fā)生擊穿，需要即刻移除故障。變換器發(fā)生開路故障的原因有很多種，如驅(qū)動器故障造成驅(qū)動信號丟失或半導體開關(guān)損壞 等[20-21]，開路故障不同于短路故障會產(chǎn)生過大的短路電流引起系統(tǒng)的保護動作，在短時間內(nèi)準確地監(jiān)測并切除開路故障難度較大，同時，變換器會在發(fā)生開路故障后繼續(xù)工作，由此產(chǎn)生直流偏置甚至導致變換器損壞[22]。為降低S-DAB的維護成本，延長變換器的預期使用壽命，準確監(jiān)測、定位故障以及通過容錯方法消除S-DAB變換器二次側(cè)開關(guān)開路故障就變得尤為重要。

為了提高變換器可靠性，消除開路故障的影響，一方面通過故障診斷策略定位故障[23-24]?，F(xiàn)已具備多種方法用于檢測和診斷DC-DC變換器的開關(guān)故障，例如，首先通過在磁性部件中增加繞組或利用磁探針獲取磁性元件兩端電壓特征作為診斷標準，然后利用數(shù)字信號處理（Digital Signal Processing, DSP）的功能實現(xiàn)實時檢測變換器開關(guān)故障并能夠應用于多種DC-DC變換器，但是其無法判斷故障具體發(fā)生位置[25]。針對多相交錯DC-DC變換器提出運用直流側(cè)電流和各相電流之間的導數(shù)關(guān)系作為故障診斷的判據(jù)[26]。觀察電感電流隨時間變化斜率作為故障檢測方法[27]。通過將變換器中二極管電壓和柵極驅(qū)動器信號處理為邏輯信號作為故障診斷特征[28]。通過整流控制器的輸入與輸出電壓信號識別故障支路并定位到故障開關(guān)的具體位置[29]。提出了一種用于DAB的故障檢測方法，利用額外的4個電壓傳感器分別監(jiān)控橋臂的中點電壓，將測量數(shù)據(jù)發(fā)送到平均值模塊并與正常電壓數(shù)值比較，從而診斷出故障開關(guān)[30]。然而針對S-DAB變換器開關(guān)開路故障檢測，目前尚缺乏相關(guān)研究。

在故障檢測基礎(chǔ)上，需要采取合適的容錯方法使得變換器能夠在各種意外開路故障后仍然能夠保證不間斷運行[31-33]。現(xiàn)有容錯方法常見的是依靠模塊冗余提高包括模塊化多電平變換器（Modular Multilevel Converter, MMC）、級聯(lián)H橋（Cascaded H-Bridges, CHBs）變換器以及輸入串聯(lián)輸出并聯(lián)（Input-Series Output-Parallel, ISOP）模塊化DAB在內(nèi)等模塊化變換器可靠性，具體指將變換器中發(fā)生開路故障的模塊從電路中切斷，然后將合適的備用模塊代替故障模塊以保證變換器容錯運行后仍具備一定的功率傳輸能力[34]。因此，通過引入一定數(shù)目冗余模塊提高變換器可靠性的方法更適用于遠距離高壓直流輸電系統(tǒng)等大功率應用場景[35-37]。為降低通過增加冗余模塊實現(xiàn)單個DAB開路故障容錯運行的成本，提出一種閉鎖故障橋臂的容錯方法提高DAB可靠性[38]。另一種容錯方法主要針對于隔離型移相全橋變換器，即采用冗余電路的方法實現(xiàn)對開路故障運行工況下的變換器進行重新配置，但該方法存在容錯運行后傳輸容量限制和高電流應力等問題[39]。現(xiàn)有研究多為DAB與隔離型移相全橋變換器的故障診斷方法與容錯運行，很少有研究關(guān)注S-DAB的故障診斷策略與容錯方法。

本文首先介紹了S-DAB正常運行模式的工作原理，詳細分析了S-DAB二次側(cè)開關(guān)開路故障特性并提出了相應的故障診斷策略。然后，提出了容錯單有源橋（Single Active Bridge, SAB），并說明了其工作原理，詳細分析了容錯運行特性，包括電流應力與功率傳輸能力。接著研究了S-DAB與容錯SAB的ZVS范圍與限制條件。最后，通過實驗結(jié)果驗證了上述理論分析的正確性。

1 S-DAB正常運行模式分析

S-DAB的拓撲如圖1所示，一次側(cè)是一個有源全橋，由4個有源開關(guān)S1～S4組成；二次側(cè)由用于上部的二極管VD5、VD7和2個有源開關(guān)S6、S8組成。S-DAB由占空比50%的方波驅(qū)動，通過改變兩個電橋之間的移相角控制功率的傳輸。i、o為一次側(cè)和二次側(cè)的直流電壓，變換器分別在一次側(cè)和二次側(cè)的橋臂中點產(chǎn)生高頻方波電壓p、s，o為變換器輸出電流。兩個電橋通過變壓器T連接起來，作為變壓器的漏感，是S-DAB傳遞能量的核心元件，i為漏感電流，為變壓器的匝數(shù)比，輸出電壓o歸算到一次側(cè)為o/，為了簡化分析，值取1，電阻小到忽略不計。直流電壓轉(zhuǎn)換比被定義為=o/(i)。S-DAB具有升壓與降壓兩種工況，由于S-DAB在降壓工況下其外部直流負載可變化范圍最大，本文將其作為典型運行工況分析。

圖1 半有源橋變換器拓撲

變換器的中頻變壓器電阻和其非線性效應以及開關(guān)的閾值電壓都被忽略。隨著移相角1和的變化，S-DAB在降壓工作模式下可分為模式1和模式3兩種，而模式2是兩種模式的邊界。

圖2用于分析S-DAB模式1在一個完整周期內(nèi)各個區(qū)間的運作，由于對稱性，本文僅分析半個工作周期。在每個間隔內(nèi)，通過漏感的電流是關(guān)于=的函數(shù)，其中為開關(guān)頻率（rad/s）。i的計算方法如下

式中，qj為間隔的初始角。

1）區(qū)間1：0～1

區(qū)間1開始于S1和S4導通，引起p從-i上升到i，止于i到達零值。規(guī)定電路由一次側(cè)流向二次側(cè)為正方向，此時i為負方向，一次側(cè)電橋通過VD1和VD4續(xù)流，二次側(cè)電橋VD6和VD7持續(xù)導通，漏感電壓為i+o，i的時域表達式為

2）區(qū)間2：1～3

區(qū)間2開始于從零值正向增加，止于S6斷開。此時一次側(cè)電橋通過S1和S4導通，二次側(cè)電橋則通過S6和VD8導通。i的時域表達式為

從區(qū)間1過渡到區(qū)間2，i自動從寄生二極管VD1、VD4和VD6轉(zhuǎn)移到S1、S4和S6，開關(guān)S1、S4和S6確保實現(xiàn)ZVS。電流在二次側(cè)電橋寄生電容之間平均分配進行充放電，7從0充電到o，8從o放電到0。當寄生電容充放電完成后，S6和VD8開始導通，進入?yún)^(qū)間2。

3）區(qū)間3：3～5

區(qū)間3開始于S6關(guān)斷，止于S1和S4關(guān)斷，i達到峰值，一次側(cè)電橋仍然通過S1和S4導通，二次側(cè)電橋則轉(zhuǎn)變?yōu)橥ㄟ^VD5和VD8導通。i的時域表達式為

從區(qū)間2過渡到區(qū)間3，6從零充電到o，5從o放電到0。當6和5充放電完成之后，VD5開始導通，進入?yún)^(qū)間3。設置0是初始時刻，并將3=1、5=p代入式（2）～式（4）得到1表達式為

后續(xù)的各個工作區(qū)間與上述區(qū)間1～區(qū)間3的導通情況類似，一個完整周期內(nèi)電流的流通路徑如圖3所示，可對這些操作條件進行類似分析。假設轉(zhuǎn)換器無損耗，一個完整周期內(nèi)，根據(jù)6個電流方程可求解變換器的電流、功率等參數(shù)。i1為S1和S4關(guān)斷時的漏感電流值，i2為S6關(guān)斷時的漏感電流值，漏感電流為

輸入功率和輸出功率是由輸入端或輸出端平均電流與電壓乘積獲得。輸入與輸出電流可以通過分析式（5）～式（7）和圖2獲得，一個開關(guān)周期內(nèi)的平均輸出電流與輸出功率分別為

根據(jù)式（9）得到當=1且1=3p/5時，S-DAB模式1輸出功率最大為

依據(jù)1與關(guān)系，S-DAB具有多種工作模式，若S-DAB工作于模式1，二次側(cè)所有開關(guān)均能實現(xiàn)ZVS，若不滿足，其工作于模式3，此時，二次側(cè)開關(guān)不具備軟開關(guān)特性，因此，本文將模式1作為典型運行模式進行分析，所有模式的工作限制條件以及輸出功率表達式見表1，為更好地呈現(xiàn)S-DAB的功率傳輸特性，將表1中所有功率表達式以式（11）為基準進行標幺化并示于圖4中，軟開關(guān)特性分析將在第4節(jié)給出。

表1 不同模式下工作的限制條件以及各模式的輸出功率表達式

Tab.1 Constraints of operation in different modes and output power expressions for each mode

圖4 基于不同電壓轉(zhuǎn)換比與移相角下的輸出功率（m＜1

2 S-DAB二次側(cè)開關(guān)開路故障特性分析與故障診斷

本節(jié)將基于S-DAB的典型運行模式特性詳細分析S-DAB二次側(cè)開關(guān)S6、S8發(fā)生開路故障的暫態(tài)過程，為后續(xù)提出的容錯方法奠定基礎(chǔ)。

2.1 二次側(cè)開關(guān)開路故障特性分析

首先分析圖1中開關(guān)S8發(fā)生開路故障的情況，圖5顯示了S8發(fā)生開路故障前、開路故障瞬態(tài)以及開路故障后趨于穩(wěn)態(tài)的電壓、電流和驅(qū)動信號波形。

假設變換器在區(qū)間4～區(qū)間6正常工作后S8發(fā)生了開路故障，通過對圖3電流流通路徑的分析，發(fā)現(xiàn)，故障不會影響區(qū)間1～區(qū)間4的工況，直至進入?yún)^(qū)間5，由于S8發(fā)生擊穿或者驅(qū)動信號丟失等原因不能正常工作，原本由S8與VD6構(gòu)成導通回路，現(xiàn)在只能通過VD6和VD7構(gòu)成回路來維持電流的正常導通。此時區(qū)間5的狀態(tài)也發(fā)生了變化，S8故障引起電壓s從o減小至-o，漏感電壓變?yōu)閛-i。正常工作狀態(tài)下區(qū)間6也是由VD6和VD7構(gòu)成導通回路，因此在故障狀態(tài)下的區(qū)間5結(jié)束后，電流路徑不會發(fā)生變化，直至S2與S3關(guān)斷引起電壓p從-i變?yōu)閕進入下一個周期繼續(xù)工作。經(jīng)過上述分析，S8故障后，變換器仍然可以按照區(qū)間1～區(qū)間6的順序工作，但由于區(qū)間5電流流通路徑的變換會引起i產(chǎn)生正向偏置。

圖5 S8開路故障關(guān)鍵波形

為了獲得S8故障后并進入穩(wěn)態(tài)運行時變換器的功率傳輸能力與電流應力。以圖5所示S8開路故障關(guān)鍵波形中0～6一個周期為例獲取表達式，仍然可以利用式（1）獲取每個區(qū)間的漏感電流表達式見表2。假設變換器是無損耗的，同樣設置0是初始時刻，并將21，3p和62p代入表2的5個表達式中得1和4的表達式分別為

式中，基于式（12）、式（13）和表2中5個表達式獲得S1和S4關(guān)斷時的漏感電流i、S6關(guān)斷時的漏感電流i2、S2和S3關(guān)斷時的漏感電流i3分別為

表2 S8故障后穩(wěn)態(tài)過程漏感電流的表達式

Tab.2 Expressions of leakage current in steady state process after fault of S8

S8故障后一個開關(guān)周期內(nèi)的平均輸出電流與輸出功率表達式為

基于S-DAB的對稱性，S6開路故障瞬態(tài)以及開路故障后趨于穩(wěn)態(tài)的電壓、電流和驅(qū)動信號波形與S8開路故障相似如圖6所示。不同之處在于，由于S6發(fā)生擊穿或者驅(qū)動信號丟失等原因不能正常工作，原本區(qū)間2由S6與VD8構(gòu)成導通回路，現(xiàn)在只能通過VD5和VD8構(gòu)成回路來維持電流正常導通。因此，電流流通路徑的變換使得i具有負偏置。

經(jīng)過分析驗證發(fā)現(xiàn)，S6故障后一個開關(guān)周期內(nèi)的關(guān)鍵漏感電流與式（14）～式（16）互為相反數(shù)關(guān)系，而平均輸出電流與輸出功率與S8故障的表達式相同。根據(jù)式（18）得到當=1且1=2p/3時，S8或S6發(fā)生開路故障后穩(wěn)態(tài)運行輸出功率最大值為

根據(jù)式（6）、式（9）、式（14）、式（18）和式（19）分析得到二次側(cè)任一開關(guān)發(fā)生開路故障后最大功率傳輸為正常運行狀態(tài)下的5/6，其最大電流為正常工況下的1.5倍，因此，電流應力很有可能會超過半導體元件的最大額定值甚至引起變壓器飽和，因此需要采取容錯方法消除二次側(cè)開關(guān)開路故障。

2.2 故障診斷

2.1節(jié)分析了S-DAB二次側(cè)開關(guān)開路故障特性，但準確、快速地定位和檢測故障是采取容錯方法消除故障的前提，因此，本節(jié)將依據(jù)變換器二次側(cè)開關(guān)典型開路故障特征提出檢測和定位S-DAB二次側(cè)故障開關(guān)位置的診斷策略。

通過分析圖5和圖6開路故障后電壓、電流的波形發(fā)現(xiàn)，波形的變化是由于部分區(qū)間電流流通路徑與導通器件變化所引起的，因此，一方面會引起i發(fā)生正向偏置或反向偏置；另一方面二次側(cè)電橋交流測電壓s的周期平均值s_avg在故障發(fā)生瞬間也會發(fā)生明顯變化。正常運行條件下，s_avg=0，當開關(guān)S8或S6發(fā)生開路故障時，檢測信號會失真。假設S8發(fā)生開路故障，區(qū)間5中的i流經(jīng)VD6和VD7，而不是正常運行下通過S8與VD6導通，因此，區(qū)間5在故障瞬間，s由原來的從o減小至0轉(zhuǎn)變?yōu)閛減小至-o，此時，s_avg將明顯低于零值。而S6發(fā)生開路故障與其剛好相反，s_avg會明顯高于零值。因此，依據(jù)i偏置方向或s_avg變化特征均可作為明顯開路故障特征應用于二次側(cè)故障開關(guān)的故障診斷。

基于電壓測量的故障診斷系統(tǒng)和整體控制框圖如圖7所示。正常運行下變換器通過電壓傳感器f1采集o信號輸送到控制器，根據(jù)輸出電壓的變化情況，動態(tài)調(diào)整控制信號，實現(xiàn)對輸出電壓的動態(tài)調(diào)節(jié)。故障診斷系統(tǒng)則通過電壓傳感器f采集s信號輸送到平均值模塊中，得到具備與S-DAB工作相同基頻的電壓平均值s_avg，再經(jīng)邏輯判斷模塊準確診斷和定位故障開關(guān)位置，從而閉鎖二次側(cè)開關(guān)S6、S8的故障信號，實施容錯策略。

圖7 基于電壓測量的故障診斷系統(tǒng)和控制框圖

變換器處于動態(tài)運行過程中容易引起直流偏置造成誤判斷，為了實現(xiàn)所提出故障診斷策略的靈敏性和穩(wěn)定性之間的良好平衡，在邏輯判斷模塊中引入了閾值，通過將s_avg與上限和下限-a進行比較，避免了故障診斷的誤判斷，閾值的選取原則：保證大于動態(tài)運行過程中s_avg變化的最大值，同時小于故障運行狀態(tài)下的s_avg。假設移相角動態(tài)調(diào)節(jié)后為0，關(guān)于閾值的選取原則為

由于輸出電壓紋波、開關(guān)噪聲、寄生參數(shù)以及電壓傳感器測量誤差等原因，閾值的選取還需要根據(jù)具體實驗情況的支持來綜合分析進行選取，基于此實驗平臺反復測試和調(diào)整優(yōu)化之后，閾值為2.4 V被認為是保證本文所提出故障檢測方法的穩(wěn)定性和有效性的合適值。

3 容錯運行

根據(jù)第2節(jié)的分析發(fā)現(xiàn)，S-DAB二次側(cè)開關(guān)開路故障會引起i產(chǎn)生直流偏置，增大電流應力，降低變換器工作效率。因此，本節(jié)將提出一種容錯方法用于消除直流偏置并實現(xiàn)變換器的容錯運行。

3.1 S-DAB二次側(cè)開關(guān)開路故障容錯方法

本文采取的容錯方法為容錯SAB，特點是不需要備用模塊替換，不需要增加額外配置或附加電路，這種方法具體指S-DAB二次側(cè)任一開關(guān)發(fā)生開路故障后，將另一個開關(guān)的驅(qū)動信號閉鎖。容錯SAB示意圖如圖8所示，二次側(cè)電橋轉(zhuǎn)變?yōu)橛?個二極管組成的無源電橋。采取容錯SAB不需要改變原有的拓撲結(jié)構(gòu)，且仍具備一定的功率傳輸能力。為了易于容錯運行前后性能比較與ZVS范圍分析，容錯SAB通過改變S1與S3的移相角2控制兩個電橋的功率流通。

圖8 容錯SAB示意圖

隨著移相角2的變化，容錯SAB可分為電流連續(xù)導通模式（Continuous Conduction Mode, CCM）與電流斷續(xù)導通模式（Discontinuous Conduction Mode, DCM）兩種，電流臨界導通模式（Boundary Conduction Mode, BCM）為兩種模式的分界，其與S-DAB類似，工況條件同樣依賴電壓轉(zhuǎn)換比，不同之處在于容錯SAB二次側(cè)電橋由4個二極管構(gòu)成，功率傳輸只能單向流通，因此，容錯SAB只適用于S-DAB工作于降壓工況。同時，為了確保S-DAB容錯后仍具備一定的功率傳輸能力，將CCM作為容錯后的典型運行模式，其關(guān)鍵波形如圖9所示。

圖9 容錯SAB運行模式波形

1）區(qū)間1：0～1

區(qū)間1開始于S1導通，引起p從0上升到i，止于i到達0。有源電橋通過VD1和VD4續(xù)流，無源電橋VD6和VD7持續(xù)導通。i時域表達式為

2）區(qū)間2：1～3

區(qū)間2開始于i從零值正向增加，止于S4斷開，i達到峰值。此時，有源電橋通過S1和S4導通，無源電橋則通過VD5和VD8導通。i的時域表達式為

從區(qū)間1過渡到區(qū)間2，i自動從寄生二極管VD1和VD4轉(zhuǎn)移到S1和S4，開關(guān)S1和S4確保實現(xiàn)ZVS。電流在無源電橋寄生電容之間平均分配進行充放電，6和7從0充電到o，5和8從o放電到0。當無源電橋的寄生電容充放電完成后，VD5和VD8開始導通電流，進入?yún)^(qū)間2。

3）區(qū)間3：3～5

區(qū)間3開始于S4關(guān)斷，引起p從i下降至0時，止于S1關(guān)斷引起p從0下降至-i。由于i仍是正方向，有源電橋通過S1和VD3導通，無源電橋仍通過VD5和VD8導通。i時域表達式為

從區(qū)間2過渡到區(qū)間3，4從零充電到i，3從i放電到零。當4和3充放電完成后，VD3開始導通，進入?yún)^(qū)間3。依然設置0是初始時刻，并將3=2，5=p代入式（21）～式（23）得1表達式為

i1為S4關(guān)斷時的漏感電流值，i2為S1關(guān)斷時的漏感電流值，基于式（21）～式（24）可得

一個開關(guān)周期內(nèi)輸出電流和輸出功率可以通過式（21）～式（26）以及圖9獲得，即

從式（28）得到當=0.577且2=p時，輸出功率最大為

容錯SAB CCM與DCM的工作限制條件以及輸出功率o表達式一并以式（11）為基準進行標幺化并在表3和圖10中示出。各個模式的工作條件將在第4節(jié)中詳細給出。圖11顯示了容錯SAB輸出功率與移相角關(guān)系曲線，其中為變換器運行參數(shù)。依據(jù)上述分析可知，DCM最大輸出功率為CCM的10/13，此外，當固定時，隨著移相角的變化，輸出功率變化斜率較大，DCM更適合于低功率運行。

表3 容錯SAB的限制條件和輸出功率表達式

Tab.3 Limitation condition and output power expression of fault-tolerant single active bridge

圖10 容錯SAB輸出功率

圖11 容錯SAB輸出功率與移相角的關(guān)系

3.2 容錯運行特性分析

當S-DAB二次側(cè)一個開關(guān)發(fā)生開路故障后，為了消除i的直流偏置，防止開關(guān)損壞，建議閉鎖二次側(cè)另一個開關(guān)的驅(qū)動信號，形成對稱的電路結(jié)構(gòu)。先前分析可知，二次側(cè)任一開關(guān)發(fā)生開路故障后或者采取容錯SAB后的傳輸功率均一致，因此，以S8為例進行分析計算。假設S8發(fā)生開路故障后，基于電壓測量的故障診斷方法快速準確定位到S8發(fā)生故障后，立即閉鎖S6的驅(qū)動脈沖，此時二次側(cè)電橋轉(zhuǎn)變成無源電橋繼續(xù)工作。整個容錯運行過程的波形如圖12所示，從圖中可知，采取容錯SAB后S6的驅(qū)動脈沖被閉鎖，此時，S1、S4導通，由于i仍然為負值，一次側(cè)通過VD1、VD4續(xù)流，二次側(cè)通過VD6、VD7續(xù)流，直至i達到零值，之后的電流流通路徑與3.1節(jié)分析的容錯SAB相同。進入容錯運行后，與故障后的穩(wěn)態(tài)模式相比，消除了i的直流分量，提高了變換器的可靠性。根據(jù)式（6）、式（10）、式（25）和式（29）分析得到，容錯運行后的最大功率傳輸能力約為變換器正常運行的12/25，開關(guān)管流經(jīng)的最大電流為正常運行的5/6。

圖12 S8開路故障容錯運行關(guān)鍵波形

4 容錯運行前后軟開關(guān)特性分析

第2節(jié)、第3節(jié)介紹了故障診斷策略并對變換器故障運行和容錯運行特性進行分析。在本節(jié)中，將對S-DAB正常運行與容錯運行后的軟開關(guān)特性進行研究。

基于對S-DAB模式1以及容錯SAB CCM的各個區(qū)間以及區(qū)間之間過渡過程的細致分析，將S-DAB和容錯SAB的i峰值表達式通過式（11）進行標幺化。忽略電容充電和放電的最小電流，可知對于S-DAB，i1＞0是確保一次側(cè)開關(guān)實現(xiàn)ZVS的條件，i2＞0是確保二次側(cè)開關(guān)實現(xiàn)ZVS的條件，因此滿足的條件分別為式（30）、式（31），由于本文僅考慮S-DAB降壓工況，當介于0～1時，式（30）恒成立，此外，基于不同的，S-DAB的最大功率承載能力如式（32）所示。

對于容錯SAB，ir1＞0與ir2＞0是確保變換器工作于CCM并實現(xiàn)一次側(cè)開關(guān)全部ZVS的條件，需要滿足式（33），同樣地，基于不同的，容錯SAB的最大功率承載能力如式（34）所示。

直流變換器實際設計中，往往最受關(guān)注的是輸出電壓與輸出直流電流o p.u.特性。根據(jù)滿足ZVS的限制條件和表1、表3的傳輸功率特性得到變換器能夠?qū)崿F(xiàn)ZVS的區(qū)域如圖13所示。圖13中，虛線表示變換器的歸一化負載滿足式（35），彩色區(qū)域由變換器維持ZVS所需的最小輸出直流電流限制以及最大功率承載能力約束而成，實線表示S-DAB變換器對應的不同約束條件下的軟開關(guān)邊界和容錯SAB CCM邊界；如果超過邊界，S-DAB變換器二次側(cè)開關(guān)就會失去ZVS或容錯SAB工作于DCM?？梢园l(fā)現(xiàn)，容錯運行后拓展的ZVS范圍能夠容許輸入或輸出電壓大范圍變化，減少變換器的功率損耗。

圖13 基于電壓轉(zhuǎn)化比與輸出直流電流的ZVS邊界

5 實驗驗證

為驗證本文所提出的故障診斷策略與容錯方法的正確性以及變換器的功率傳輸能力和軟開關(guān)特性，搭建實驗樣機如圖14所示，實驗過程中增設了輔助電感。

圖14 S-DAB變換器實驗平臺

5.1 功率傳輸能力與軟開關(guān)特性

為驗證變換器的功率傳輸能力，對S-DAB正常運行工況和容錯運行工況進行實驗驗證，實驗參數(shù)見表4。表4中，電感為變壓器漏感與輔助電感之和。圖15a和圖15b是S-DAB模式1最大功率傳輸下S1、S6、p、s和電感電流I的波形，圖15c和圖15d是容錯SAB最大功率傳輸下S1、S3、p、s和I的波形。此時，S-DAB工作于=1和1=3p/5的條件下，功率傳輸最大為92.34 W，容錯SAB工作于=0.577和2=p的條件下，功率傳輸最大為49.26 W。依據(jù)實驗結(jié)果驗證了變換器容錯運行前后的功率傳輸能力。

表4 主要電路參數(shù)

Tab.4 Main circuit parameters

為驗證變換器的軟開關(guān)特性，同樣對S-DAB正常工況和容錯運行工況進行實驗驗證，此時，二次側(cè)電壓固定為14.4 V，其余實驗參數(shù)與表4相同。圖16a和圖16b展示了S-DAB模式1下S6、S8的開關(guān)過程，圖17a和圖17b展示了容錯SAB下S1、S3的開關(guān)過程。此時，S-DAB工作于=0.3和1=25p/36的條件下，功率傳輸為29.24 W，容錯SAB工作于=0.3和2=41p/45的條件下，功率傳輸容量相同，均能保證所有開關(guān)實現(xiàn)ZVS。若改變1=9p/35，正常運行工況下S6、S8會失去ZVS，開關(guān)過程如圖18所示。依據(jù)實驗結(jié)果驗證了變換器軟開關(guān)特性理論分析的正確性。

圖16 S-DAB模式下變換器的開關(guān)過程

5.2 開路故障診斷實驗

為驗證故障診斷策略與容錯方法的正確性，對S-DAB正常工況、開路故障工況以及容錯運行工況進行實驗驗證，此時，二次電壓固定為28 V，其余實驗參數(shù)仍與表4相同。圖19是S-DAB模式1正常工況下的波形，工作于1=13p/25的條件下，由圖14可知，I無直流偏置，p、s對稱。

圖17 容錯SAB運行工況下變換器的開關(guān)過程

圖18 正常運行工況下變換器的開關(guān)過程

圖20為二次側(cè)開關(guān)S6發(fā)生開路故障后采取故障診斷策略而未采取容錯措施的實驗波形，本實驗通過閉鎖驅(qū)動信號來模擬開路故障。由圖20可知，當S6發(fā)生開路故障后，原本區(qū)間2由S6與VD8構(gòu)成導通回路，現(xiàn)在通過VD5和VD8構(gòu)成回路來維持電流的正常導通，I產(chǎn)生反向直流偏置，s位于區(qū)間2的零電平消失，s_avg突然正向增大，與第2節(jié)分析一致，利用本文提出的故障診斷策略可以在4個周期內(nèi)準確、快速地檢測出故障。

圖19 S-DAB模式1正常運行工況關(guān)鍵波形

圖20 S6開路故障診斷波形

圖21為S8發(fā)生開路故障的實驗波形，當S8發(fā)生開路故障后，原本由S8與VD6構(gòu)成導通回路，現(xiàn)在通過VD6和VD7構(gòu)成回路來維持電流的正常導通。I發(fā)生正向直流偏置，s位于區(qū)間5的零電平消失，s_avg突然反向增大，與第2節(jié)分析一致，利用本文提出的故障診斷策略可以在4個周期內(nèi)準確、快速地檢測出故障。

圖21 S8開路故障診斷波形

圖22a為S6發(fā)生開路故障后進入穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵波形，穩(wěn)定后，電感電流明顯存在反向直流偏置。圖22b為S8發(fā)生開路故障后進入穩(wěn)態(tài)的關(guān)鍵波形，穩(wěn)定后，電感電流明顯存在正向直流偏置。

圖22 開路故障后的穩(wěn)態(tài)波形

5.3 開路故障容錯實驗

圖23和圖24分別為開關(guān)S6、S8發(fā)生開路故障后實施容錯策略的實驗波形。由圖可知，采取容錯SAB后能夠快速消除電感電流的反向直流偏置和正向直流偏置，抑制故障電流，防止過大的電流應力增大損耗甚至損壞開關(guān)，保證變換器高可靠運行，驗證了容錯SAB模式的有效性。

圖23 S6開路故障容錯波形

圖24 S8開路故障容錯波形

圖25為開關(guān)S6或S8發(fā)生開路故障實施容錯策略后進入穩(wěn)態(tài)的實驗波形。此時，變換器工作于2=8p/9的條件下。I不存在直流偏置，p、s恢復對稱，s_avg=0，保證了開關(guān)、變壓器等電氣元件的安全運行，且容錯運行之后變換器仍具備一定的功率傳輸能力。實驗結(jié)果與第3節(jié)理論分析一致，表明所提出的故障診斷策略與容錯方法的有效性。

圖25 容錯SAB穩(wěn)態(tài)運行波形

6 結(jié)論

本文首先分析了S-DAB典型運行模式的運行特性，在此基礎(chǔ)上分析了二次側(cè)電橋不同開關(guān)的開路故障特性。計及S-DAB故障前后的最大電流和功率承載能力，提出用于檢測和定位S-DAB二次側(cè)開關(guān)開路故障的故障診斷策略和容錯方法。當二次側(cè)任一開關(guān)發(fā)生開路故障時，通過閉鎖另一開關(guān)的驅(qū)動信號能夠?qū)崿F(xiàn)故障快速切除，消除直流偏置，防止過高的電流增大損耗或損壞開關(guān)。主要結(jié)論如下：

1）提出針對S-DAB二次側(cè)開關(guān)發(fā)生開路故障的故障診斷策略和容錯方法，該方法容許單個變換器在故障后容錯運行，提高整個系統(tǒng)的可靠性。

2）二次側(cè)開關(guān)發(fā)生開路故障后，交流側(cè)電壓周期平均值會根據(jù)開關(guān)的不同故障位置產(chǎn)生特定變化，并以此變化作為故障特征，準確定位S-DAB二次側(cè)故障開關(guān)的位置。

3）實現(xiàn)故障定位后，通過閉鎖另一開關(guān)的驅(qū)動信號，可以消除由開關(guān)故障引起的電感電流直流分量，防止電流過高損壞開關(guān)管。且容錯運行后最大功率傳輸能力為正常運行的12/25，拓展的ZVS范圍能夠容許輸入或輸出電壓大范圍變化，有效保證了電路中開關(guān)、電容和電感等元器件的安全運行。

4）提出的故障診斷策略和容錯方法，無需增加其他的輔助電路或采用昂貴的檢測設備，僅需要一個電壓傳感器就能夠?qū)崿F(xiàn)故障檢測并具備容錯能力，以低成本增強了系統(tǒng)的可靠性。

實驗結(jié)果表明，所提出的故障診斷策略與容錯方法能夠在4個周期內(nèi)準確定位并切除開路故障，消除直流分量，防止電流過高而損壞開關(guān)管，從而顯著提升S-DAB變換器可靠性。

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Multi-Mode Fault-Tolerant Operation Strategy of Semi-Dual Active Bridge Converter Considering Open-Circuit Fault of the Secondary Side Switch

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（1. School of Electrical Engineering Shanghai University of Electric Power Shanghai 200090 China 2. College of Smart Energy Shanghai Jiao Tong University Shanghai 200240 China 3. School of Electronic Information and Electrical Engineering Shanghai Jiao Tong University Shanghai 200240 China 4. UHV Converter Station Branch of State Grid Shanghai Municipal Electric Power Company Shanghai 201413 China）

Semi-dual active bridge (S-DAB) converter is widely applied for scenarios requiring unidire- ctional power flow, such as electric vehicle charging and PV generation. Considering that the secondary side switch open-circuit fault of the S-DAB converter may threaten the normal operation of the system, the S-DAB converter should be able to maintain uninterrupted operation after a fault. This paper presents a fault diagnosis and fault-tolerant method for the S-DAB converter under open-circuit fault.

When an open-circuit fault occurs in the secondary side switch of the S-DAB converter, the current flow path is changed, leading to an abnormal state of the circuit, including a DC bias generated by the transformer current and a significant change in the periodic average of the AC voltage on the secondary side bridge at the moment of an open-circuit fault. Therefore, a fault diagnosis system based on voltage measurement is designed. The proposed strategy requires only one additional voltage sensor to identify the location of the fault switch, improving the reliability of the S-DAB converter at a low cost.

According to the previous analysis, the circuit topology is no longer symmetrical when an open-circuit fault occurs in the secondary side switch of the S-DAB converter, causing DC bias of leakage current. To eliminate DC bias, a fault-tolerant single active bridge (SAB) operation method is proposed. Specifically, after an open-circuit fault occurs in any switch on the secondary side of the S-DAB converter, the driving signal of the other switch is blocked. As a result, the secondary bridge is transformed into a diode bridge, forming a symmetrical circuit structure. Based on the proposed fault-tolerant SAB mode, the DC component of the leakage current caused by the fault switch can be eliminated. The potential damage caused by excessive current can be avoided, effectively ensuring the safe operation of the switch, capacitor, and inductor components of the circuit. Furthermore, the S-DAB converter still has a specific power transfer capability after the fault-tolerant operation.

An experimental prototype is built. The normal operation, open-circuit fault operation, and fault-tolerant operation of the S-DAB converter are experimentally verified. According to the experimental results, the proposed fault diagnosis strategy and fault-tolerant method can accurately locate and remove open-circuit faults within four cycles and promote the reliability tolerance of the S-DAB converter.

Semi-dual active bridge (S-DAB) converter, open-circuit fault, fault diagnosis, fault-tolerant operation, reliability

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.230073

TM46

國家自然科學基金智能電網(wǎng)聯(lián)合基金資助項目（U2166216）。

2023-01-18

2023-03-28

管 碩 男，1998年生，碩士研究生，研究方向為高可靠性DC-DC變換技術(shù)。E-mail: gs5973989@mail.shiep.edu.cn

馬建軍 男，1992年生，助理教授，研究方向為電力電子化電力系統(tǒng)、新能源并網(wǎng)、能量路由器等。E-mail: j.j.ma@sjtu.edu.cn（通信作者）

（編輯 陳 誠）