中点钳位型电源的故障检测电路及故障分类检测方法与流程

本发明涉及电力电子领域，特别是一种中点钳位型电源的故障检测电路及故障分类检测方法。

背景技术：

中点钳位型PWM变换器在中压大容量传动领域有着广泛的应用。它降低了对器件耐压的要求，还具有低谐波、低电压应力等优点。中点钳位型三电平电源包括可以进行能量回馈的二极管钳位型结构，以及不可以能量回馈的Vienna变换器。对于应用在关键领域的大容量变换器，一个重要的研究方面是变换器的故障和保护问题。这对于三电平中点钳位型电源来说尤为重要，因为这种拓扑比较复杂，且电力电子器件的数量众多，增加了故障的概率。

然而，与传统的两电平电源相比，所涉及的大量开关器件增加了转换器的故障概率。功率半导体器件故障可分为两类：短路和开路故障。由于流过受影响的设备和相关路径的电流过大，短路故障对系统可能具有一些固有的不良影响。因此，需要立即关闭变频器以确保有限的损坏。另一方面，与短路故障相比，开路故障不太可能造成严重的损坏。但是，它们在转换器的其余部分会导致一些二次干扰。

用于检测中点钳位型电源中的开路故障的大多数常规侵入式诊断技术都基于电流或电压特征分析方法。

基于输出电压频率分析的诊断方法只能识别MMC的故障单元；而基于负载电流和相电压监测的诊断方法，用于级联H桥多电平电源，这种方法允许识别有故障的有源开关并且允许隔离有故障的电池。但是，它仅限于低频段，无法找到确切的故障开关，这种方法的主要局限性可以概括为其识别全桥变换器的确切故障开关的能力。

基于平均电流的检测方法可以用来识别单个故障的IGBT；基于输出电流和电压波形分析的故障电源开关或故障钳位二极管的检测方法由于所需的额外宽带宽电压传感器，大多数基于调制输出电压分析的诊断方法都是昂贵的。而且，它们需要事先知道功率器件的开关状态。这意味着诊断算法需要来自调制算法的数据。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种中点钳位型电源的故障检测电路及故障分类检测方法，降低故障检测的复杂程度与成本，提高系统对故障类型的响应速度与故障定位精度。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种中点钳位型电源的故障检测电路，包括与中点钳位型电源连接的电磁干扰滤波器；所述电磁干扰滤波器包括依次串联的第一电容、第一电阻、第二电阻、第二电容；所述第一电容、第二电容分别与直流电源的正负两端连接；所述第一电阻、第二电阻的连接点接地。

本发明还提供了一种利用上述故障检测电路对中点钳位型电源进行故障分类检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)以中点钳位型电源A相上桥臂第一功率管的第一个触发脉冲上升沿为起点，将一个基波周期等分为六个时间间隔，分别表示为Ti，i＝1,2,…6；

2)实时采集每一时间间隔Ti内电磁干扰滤波器第一电阻两端的电压VR1，并检测每个时间间隔Ti内第一电阻两端电压VR1的包络线Ei；

3)将每个时间间隔Ti内电磁干扰滤波器第一电阻两端的电压VR1包络线Ei与上一时间间隔Ti-1的包络线Ei-1作差，得到作差结果ΔV；

4)利用梯形积分法对作差结果ΔV进行积分，积分时长为一个时间间隔；

5)根据步骤4)中得到的当前时间间隔Ti的积分值Pi，判断该积分值Pi是否大于预设值P*，进而判断中点钳位型电源的钳位二极管是否存在开路故障；

6)计算下一时间间隔Ti+1的积分值Pi+1，进而判断故障类型是属于多个钳位二极管同时发生开路故障还是单个钳位二极管发生开路故障；

7)根据检测到故障发生的时间间隔Ti，确定发生开路故障的钳位二极管。

步骤2)中，检测电磁干扰滤波器第一电阻两端的电压VR1时，若中点钳位型电源的调试度m小于0.5，则将检测得到的电压信号VR1经过带通滤波器滤波滤除杂波，且该带通滤波器的低截止频率设置为0.5MHz，高截止频率设置为3MHz。

步骤4)中，其中Ti_a表示积分时间间隔Ti的起始时刻，Ti_b表示积分时间间隔Ti的结束时刻，T表示时间间隔Ti的长度。

步骤5)中，若当前时间间隔Ti的积分值Pi大于预设值P*，表示中点钳位型电源中存在开路二极管，确定为二极管开路故障。

步骤7)中，当下一时间间隔Ti+1的积分值Pi+1为负时，表示中点钳位型电源存在单个二极管开路故障,且时间间隔T1检测到故障则表明中点钳位型电源的B相下桥臂的钳位二极管发生开路故障；时间间隔T2检测到故障则表明中点钳位型电源的A相上桥臂的钳位二极管发生开路故障，时间间隔T3检测到故障则表明中点钳位型电源的C相下桥臂的钳位二极管发生开路故障，时间间隔T4检测到故障则表明中点钳位型电源的B相上桥臂的钳位二极管发生开路故障，时间间隔T5检测到故障则表明中点钳位型电源的A相下桥臂的钳位二极管发生开路故障，时间间隔T6检测到故障则表明中点钳位型电源的C相上桥臂的钳位二极管发生开路故障；

当下一时间间隔Ti+1的积分值Pi+1为正时，表示中点钳位型电源存在多个二极管开路故障，即时间间隔Ti和相邻时间间隔均检测到故障，时间间隔Ti和时间间隔Ti+1对应的钳位二极管均发生故障。

与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明所采用的电磁干扰滤波器成本低，电路结构简单，容易安装与实施，无需附加额外的控制策略；本发明根据电磁干扰滤波器的第一电阻两端电压进行故障检测的方法，不仅可以检测单个或是多个钳位二极管的故障问题，还是实现故障钳位二极管的有效定位，且无需存储大量数据，对处理器的要求很低，可靠性高。

附图说明

图1为本发明一实施例的带故障检测电路的中点钳位型号电源结构图；

图2为本发明一实施例的故障检测电路；

图3为本发明一实施例的故障检测与分类流程图；

图4为本发明一实施例的故障定位示意图。

具体实施方式

参见图1，三电平中点钳位型电源由直流源、十二只功率管、续流二极管与六只钳位型二极管组成，当钳位二极管发生开路故障时，交流输出侧的公共连接点的工模电压发生显著变化，从而会在检测电路上有所反应。

参见图2，检测电路为简易电磁干扰滤波器(EMI)，由第一电容C1、第一电阻R1、第二电阻R2和第二电容C2顺序串联构成，且第一电容C1和第二电容C2分别与所述输入直流源的正负两端相连，且第一电阻R1和第二电阻R2的连接点接地。

参见图3，为故障分类检测方法与定位流程图，包含以下步骤：

步骤1：以中点钳位型电源A相上桥臂第一功率管T11的第一个触发脉冲上升沿为起点，将一个基波周期(20ms)等分为六个时间间隔，分别表示为Ti(i＝1,2,…6)；

步骤2：实时采集每一时间间隔Ti内电磁干扰滤波器第一电阻R1两端的电压VR1，判断中点钳位型电源的调试度是否小于0.5，若小于0.5，应将检测得到的电压信号VR1经过带,通滤波器滤波滤除杂波，且该带通滤波器的低截止频率设置为0.5MHz，高截止频率设置为3MHz之后检测每个时间间隔Ti内第一电阻R1两端电压VR1的包络线Ei,；

步骤3：将每个时间间隔Ti内电磁干扰滤波器第一电阻R1两端的电压VR1包络线Ei与上一时间间隔Ti-1的包络线Ei-1作差，

ΔV＝Ei-Ei-1，其中，ΔV表示两相邻时间间隔的包络线的作差结果；

步骤4：利用梯形积分法对作差结果ΔV进行积分，积分时长为一个时间间隔，

其中，Pi表示相邻包络线作差结果ΔV在当前时间间隔Ti上的积分值，Ti_a表示积分时间间隔Ti的起始时刻，Ti_b表示积分时间间隔Ti的结束时刻，T表示时间间隔Ti的长度；

步骤5：根据步骤4)中所计算得到的当前时间间隔Ti的积分值Pi，判断该值是否大于预设值P*，若比较结果为正，则可以确定中点钳位型电源的钳位二极管是否存在开路故障；

步骤6：计算下一时间间隔Ti+1的积分值Pi+1，进而判断故障类型是属于多个钳位二极管同时发生开路故障还是单个钳位二极管发生开路故障；

步骤7：根据检测到故障发生的时间间隔Ti(i＝1,2…6)，确定发生开路故障的钳位二极管。参见图4，1)当下一时间间隔Ti+1的积分值Pi+1为负时，表示中点钳位型电源存在单个二极管开路故障。且时间间隔T1检测到故障则表明中点钳位型电源的B相下桥臂的钳位二极管D22发生开路故障；时间间隔T2检测到故障则表明中点钳位型电源的A相上桥臂的钳位二极管D11发生开路故障，时间间隔T3检测到故障则表明中点钳位型电源的C相下桥臂的钳位二极管D32发生开路故障，时间间隔T4检测到故障则表明中点钳位型电源的B相上桥臂的钳位二极管D21发生开路故障，时间间隔T5检测到故障则表明中点钳位型电源的A相下桥臂的钳位二极管D12发生开路故障，时间间隔T6检测到故障则表明中点钳位型电源的C相上桥臂的钳位二极管D31发生开路故障。2)当下一时间间隔Ti+1的积分值Pi+1为正时，表示中点钳位型电源存在多个二极管开路故障。即时间间隔Ti和相邻时间间隔均检测到故障，时间间隔Ti和时间间隔Ti+1对应的钳位二极管均发生故障。