一种浮地交错变换器单管开路故障检测方法与流程

本发明涉及一种变换器开关管故障检测方法，具体涉及一种四相浮地交错Boost变换器单管开路故障检测方法。

背景技术：

在化石能源日渐匮乏的背景下，开发可再生清洁能源，使用先进高效的能源利用技术，成为各国优先发展的策略。太阳能光伏和燃料电池被认为是最有潜力的新能源，尤其是燃料电池，因具有较高的效率、低噪声及无排放污染等特点，已成为研究的热点。无论是太阳能光伏还是燃料电池，输出的都是低电压大电流的直流电，且输出电压随着负载扰动而变化，伏安特性呈现明显的非线性。因此有必要通过开关电源变换器来调节太阳能光伏或燃料电池输出特性，为汽车直流负载或逆变器供电。而电源变换器的开关管可能开路或者短路故障，发生短路故障时，会有大幅度的过压或过流，易于进行故障检测和保护，而开路故障不会导致系统关机，但变换器长期工作在异常状态，可能引起二次故障。

传统的变换器开关管故障检测方法有多种。一种方法是通过直接测量开关管源-漏电压实现开路故障检测的方法简单有效，通用性强，但是需要增加传感器及滤波电路。另一种较通用的方法是通过增加辅助线圈获取磁性元件电压，根据电感电压与驱动信号的逻辑关系实现开关器件的开路和短路故障检测和诊断。以上故障检测和故障诊断原理有两大缺陷：一是电流采样频率过高；二是故障诊断精确度在很大程度上取决于纹波大小，纹波越大，识别精确度越高。但是对于燃料电池应用来说，纹波过大会对燃料电池堆造成伤害，影响其寿命。

综上所述，现有的文献和专利在检测变换器开关管故障时往往需要采用辅助器件或者传感器，增加了故障检测的成本。

技术实现要素：

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种浮地交错变换器单管开路故障检测的方法，能够针对燃料电池电动汽车采用的四相浮地交错Boost变换器进行开路故障检测。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括如下步骤：

步骤一，采集四相浮地交错Boost变换器中两个电容两端的电压V_C1、V_C2；

步骤二，将两个电容的电压差值ΔV＝V_C2-V_C1的绝对值与设定的阈值k₁进行比较，当|ΔV|＜k₁时，开关管无开路故障，故障标志位F0置0；当|ΔV|＞k₁时，开关管有故障，故障标志位F0置1，执行步骤三；

步骤三，将|ΔV|与设定的阈值k₂进行比较，当|ΔV|＜k₂时，发生故障但未再次稳定，故障后稳定标志位F1置0，返回执行步骤一；当|ΔV|＞k₂时，发生故障并再次稳定，故障后稳定标志位F1置1，执行步骤四；

步骤四，ΔV与设定的阈值k₃进行比较，当ΔV＜-k₃时，上下模块故障标志位F2置0，执行步骤五；当ΔV＞k₃时，上下模块故障标志位F2置1，执行步骤六；

步骤五，将开关管S1驱动信号改为低电平驱动，持续时间为0.5毫秒，采集刚开始注入低电平驱动时刻电容C1两端的电压和0.5毫秒之后电容C1两端的电压V'_C1，两者的差值记为ΔV₁，与设定的阈值k₄进行比较，当ΔV₁＜k₄时，定位标志位F3置0，定位开关管S1故障，当ΔV₁＞k₄时，定位标志位F3置1，定位开关管S2故障；

步骤六，将开关管S3驱动信号改为低电平驱动，持续时间为0.5毫秒，采集刚开始注入低电平驱动时刻电容C2两端的电压和0.5毫秒之后电容C2两端的电压V'_C2，两者的差值记为ΔV₂，与设定的阈值k₄进行比较，当ΔV₂＜k₄时，定位开关管S3故障，ΔV₂＞k₄时，定位开关管S4故障。

所述的阈值其中，V_in、V_out为四相浮地交错Boost变换器输入、输出电压；所述的阈值所述的阈值k₃＝5％V_out；所述的阈值

本发明的有益效果是：可以对四相浮点交错Boost变换器实现单个开关管开路故障的故障检测，并精确定位到具体的故障开关管。本发明的算法简单易实现，无需增加额外的硬件，降低了故障检测成本。

附图说明

图1是四相浮地交错Boost变换器拓扑结构；

图2是开关管S₁发生故障时电容电压的波形图；

图3是变换器开关管故障检测流程图；

图4是开关管S₁发生故障时的仿真结果图；

图5是开关管S₂发生故障时的仿真结果图；

图6是开关管S₃发生故障时的仿真结果图；

图7是开关管S₄发生故障时的仿真结果图；

图中；，S₁～S₄为第一至第四个开关管，D₁～D₄续流二极管，L₁～L₄为电感，C₁和C₂位滤波电容，R_L为负载电阻，输入电压为V_in，输出电压为V_out。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明提供一种基于四相浮地交错变换器单管开路故障检测的方法，包括如下步骤：

步骤一：采集电容两端的电压V_C1、V_C2与变换器输入、输出电压V_in、V_out；

步骤二：将两个电容的电压差值ΔV＝V_C2-V_C1的绝对值与设定的阈值k₁进行比较，判断是否有开关管开路故障发生。当|ΔV|＜k₁时，无故障，故障标志位F0置0，当|ΔV|＞k₁时，有故障，故障标志位F0置1，执行步骤三；

步骤三：|ΔV|与设定的阈值k₂进行比较，当|ΔV|＜k₂时，发生故障但未再次稳定，故障后稳定标志位F1置0，返回执行步骤一，当|ΔV|＞k₂时，发生故障并再次稳定，故障后稳定标志位F1置1，执行步骤四；

步骤四：ΔV与设定的阈值k₃进行比较，当ΔV＜-k₃时，上下模块故障标志位F2置0，执行步骤五，当ΔV＞k₃时，上下模块故障标志位F2置1，执行步骤六；

步骤五：将开关管S1驱动信号改为低电平驱动，持续时间为0.5毫秒，采集刚开始注入低电平驱动时刻电容C1两端的电压0.5毫秒之后电容C1两端的电压V'_C1，两者的差值记为ΔV₁，与设定的阈值k₄进行比较，当ΔV₁＜k₄时，定位标志位F3置0，ΔV₁＞k₄时，定位标志位F3置1，通过表1，定位发生故障的开关管；

步骤六：将开关管S3驱动信号改为低电平驱动，持续时间为0.5毫秒，采集刚开始注入低电平驱动时刻电容C2两端的电压0.5毫秒之后电容C2两端的电压V'_C2，两者的差值记为ΔV₂，与设定的阈值k₄进行比较，当ΔV₂＜k₄时，定位标志位F3置0，ΔV₂＞k₄时，定位标志位F3置1，通过表1，定位发生故障的开关管。

表1

备注：×表示取值为-1、0和1。

图1为本发明所述四相浮地交错Boost变换器拓扑结构图。

图2为开关管S1发生故障时电容电压的波形图，在t＝0.1秒时模拟开关管发生开路故障，在t＝0.1秒之前，变换器正常启动并工作，在t＝0.1秒时，变换器进入故障模式。整个电路采用电感电流均衡控制策略，即电路正常工作时，四个L₁～L₄的电流相等，当一个开关管发生开路故障时，剩下的三个开关管对应的电感电流保持相同。

为了便于分析，将四相浮地交错Boost变换器分为上下两个模块，S₁、S₂、C₁为上模块，S₃、S₄、C₂为下模块。当该变换器正常工作时，电容C₁、C₂上具有相同的电压波形；当该变换器开关管发生开路故障时，将导致电容C₁、C₂电压不再相同。由于采用闭环控制，开关管故障时，电容C₁、C₂的电压将分别很快稳定到新的值。电容电压减小的那部分即为发生开关管开路故障的部位，给该部分的一个开关管(S₁或者S₃)注入短时间的低电平驱动信号，判断对应电容电压的变化。在注入低电平驱动信号过程中，若该部位电容电压不变，则被注入低电平驱动信号的开关管故障，反之，该模块的另一个开关管故障。

图3为开关管单路故障检测的流程图。

通过多次采样取平均值的方法，降低采样的误差。电路正常工作时，电容电压为：

当一个开关管发生故障时，故障侧电容电压为：

无开关管开路故障侧的电容电压为：

设即电路故障侧电容电压。

为了便于分析，设定四个标志位，分别为F0、F1、F2和F3。

F0：设定ΔV＝V_C2-V_C1，用来判断V_C2与V_C1之间的大小关系。考虑到电压的纹波，选取一个阈值k₁为故障部分电容电压的10％。可以推出：

当|ΔV|＜k₁时，F0＝0，变换器正常工作；当|ΔV|＞k₁时，F0＝1，变换器发生故障；

F1：判断电路是否再次达到稳态。考虑到电压的纹波，选取一个阈值k₂为发生故障后电容电压差值的95％，可以推出：

F1的初值为-1，代表电路正常工作。当F0＝1，且|ΔV|＜k₂时，F1＝0，表示电路发生故障但未达到稳定状态；当|ΔV|＞k₂时，F1＝1，代表电路再次达到稳定状态。

F2：用于判断上模块还是下模块发生故障。

选定k₃＝5％V_out，

F2＝-1，电路正常工作；F1＝0，上模块故障；F1＝1，电路下模块故障。

F3：判断电路发生故障模块的哪个开关管发生故障。当变换器发生故障时，设定ΔV₃为开始注入低电平驱动时的故障侧电容电压与一段时间后该电容电压差值，考虑到电压的纹波，选取一个阈值k₃为发生故障后电容电压差值的5％。可以推出：

F3的初值为-1，为电路正常工作的标志位。当F0＝1，F2＝1，且ΔV₁＞k₄，或者ΔV₂＞k₄时，F3＝1，表示S2或者S4故障；反之，F3＝0，表示S1或者S3故障。

这样就可以通过F0、F1、F2和F3的状态来定位发生故障的开关管，具体判断方式如表1所示。

结合表1给出的结果，设计图2所示的流程图。该故障检测的具体实施方法可分为为以下八种状态：

[1]状态0×××：电路正常工作；

[2]状态10××：电路发生开路故障但未达到再次稳定状态；

[3]状态11-1×：电路发生故障，但不能判断故障类型，进入下一次循环判断；

[4]状态11×-1：电路发生故障，但不能判断故障类型，进入下一次循环判断；

[5]状态1100：开关管S₁发生开路故障。V_C1＜V_C2，变换器上模块故障，在给S₁注入低电平扰动时，故障侧电容电压V_C1不变化；

[6]状态1101：开关管S₂发生开路故障。V_C1＜V_C2，变换器上模块故障，在给S₁注入低电平扰动时，故障侧电容电压V_C1变化；

[7]状态1110：开关管S₃发生开路故障。V_C1＞V_C2，变换器下模块故障，在给S₃注入低电平扰动时，故障侧电容电压V_C2不变化；

[8]状态1111：开关管S₄发生开路故障。V_C1＞V_C2，变换器下模块故障，在给S₃注入低电平扰动时，故障侧电容电压V_C2变化。