吳 越，凌祝軍，葉效鋒

（1. 溫州市鐵路與軌道交通投資集團有限公司，浙江溫州 325000；2. 浙江眾合科技股份有限公司， 杭州 310051；3. 浙江大學控制科學與工程學院，杭州 310027）

準Z 源逆變器可實現(xiàn)低壓直流—交流的單級變換，較之雙級變換器，其所需的功率開關器件更少，控制更靈活，故應用于軌道交通電力牽引、城軌控制系統(tǒng)、光伏和儲能等工業(yè)場景時優(yōu)勢較大[1]。考慮到軌道交通中各電力設備的可靠性要求與日俱增[2]，為了提高軌道交通中準Z 源逆變器應用時的可靠性，有必要實現(xiàn)三相準Z 源逆變器故障診斷和容錯運行。

Cecati 等認為，逆變器80%的故障是由功率半導體器件失效而引起的，如絕緣柵雙極型晶體管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)，而失效的表現(xiàn)形式主要有短路和開路兩種[3]。其中，開路故障可由開關故障或驅(qū)動故障引發(fā)，并導致IGBT 持續(xù)開路，若其長時間未被檢測到，則系統(tǒng)仍會帶故障運行，會使逆變器輸出電能質(zhì)量陡降。因此，IGBT 開路故障診斷是逆變器設計中的關鍵問題之一，而檢測速度、成本、準確性和負載條件獨立性是衡量檢測手段的核心判據(jù)。各類開路故障診斷通常基于電流或電壓采樣分析來實現(xiàn)，其中基于電流的方法已有諸多文獻進行了報道[4-10]。Lu 等對一些典型的基于電流信號分析的IGBT 開路故障診斷方法進行了總結[4]，其中大多數(shù)方案是對測得的三相電流開展數(shù)學分析，以辨識開路故障，無需額外硬件，成本低，但存在速度低、復雜度高且小負載下誤診率高的問題[5]。而采用基于電壓的開路故障診斷方案，則速度顯著提高，且誤診率較低，但通常需配置額外的測量硬件，成本和復雜度較高[6]。此外，還有基于系統(tǒng)模型衍生的觀測器類IGBT開路故障檢測方案[7-8]，以及基于小波分析算法和人工智能算法的開關器件開路故障診斷策略[9-10]，但其工程實用性欠佳。

筆者針對三相準Z 源逆變器，提出了一種基于電壓的新型IGBT 開路故障診斷技術。相對于傳統(tǒng)電流型方案，新方法能在更短的時間內(nèi)辨識出IGBT開路故障，較之傳統(tǒng)電壓型方案，無需專門的高速處理器，實現(xiàn)簡單，且輔助電路成本更低。此外，類似于傳統(tǒng)電壓型方案，新檢測技術完全獨立于負載條件。新型IGBT 開路故障診斷，基于準Z 源逆變器自身特性，結合開關周期內(nèi)觀察直通間隔對系統(tǒng)變量的影響，可分為故障檢測和定位兩個階段，完成故障定位后將激活冗余橋臂取代故障橋臂，實現(xiàn)系統(tǒng)故障容錯運行。

1 工作原理

圖1 所示為三相準Z 源逆變器電路。

圖1 三相準Z 源逆變器電路 Figure 1 Circuit diagram of a three-phase quasi-Z-source inverter

三相準Z 源逆變器具有以下兩種工作模式：

1) 逆變模式。在此模式下，三相準Z 源逆變器的運行和常規(guī)三相電壓源型逆變器一致，輸入電流iL1保持連續(xù)流過輸入側二極管D。

2) 直通模式。在此模式下，通過選擇任意一相橋臂直通短路，使二極管D 截止，直流源和電容同時給電感充電儲能。

由于存在兩種工作模式，準Z 源逆變器三相橋臂輸入電壓uleg表現(xiàn)為方波，即直通模式下uleg=0，而逆變模式下uleg等于輸入電容電壓之和，有

式中，uC1和uC2分別為電容C1和C2的端電壓。

準Z 源逆變器的控制器通過控制直通模式的持續(xù)時間來調(diào)整uC1+uC2的峰值，即

式中，B 為升壓比，Dsh為直通占空比，uB為uleg的峰值，uin為輸入電壓。當uin降低時，Dsh會被調(diào)整增加，以維持uB的近似恒定。

對于準Z 源逆變器的調(diào)制，通常采用直通矢量6段均勻分配的空間矢量調(diào)制(space vector modulation，SVM)，即直通模式持續(xù)時間劃分為6 個相等間隔后，插入到常規(guī)SVM 主要矢量持續(xù)時間之間(見圖2)，圖中的參考矢量位于扇區(qū)A1。其中，Ta和Tb分別為SVM中有效矢量U1和U2的持續(xù)時間。而Tsha、Tshb和Tshc分別是a、b、c 三相直通矢量的持續(xù)時間，且有Tsha=Tshb=Tshc=Tsh，T0和T7為零矢量的持續(xù)時間。圖2中準Z 源逆變器三相橋臂IGBT 導通和關斷的轉(zhuǎn)換時刻Ta+、Tb+、Tc+、Ta-、Tb-和Tc-可計算為

圖2 6 段式SVM 調(diào)制示意 Figure 2 Schematic of a six-segment SVM modulation

2 故障分析

通常，IGBT 開路故障情況，僅IGBT 保持為開路，其反并聯(lián)二極管仍可實現(xiàn)電流導通。當準Z 源逆變器出現(xiàn)IGBT 開路故障后，系統(tǒng)的各個狀態(tài)變量(uC1、uC2、iL1和iL2)和輸出功率中將出現(xiàn)低頻諧波。另外，由于存在IGBT 開路狀態(tài)，將有一相橋臂無法完成直通狀態(tài)，使得uC1+uC2峰值下降，換言之，導致了升壓比B降低。圖3(a)和(b)所示為一相橋臂單個或2 個IGBT開路故障下的uC1+uC2典型波形。在這兩種情況下， uC1+uC2峰值均出現(xiàn)下降，同時每個開關周期Ts可觀察到uleg的直通模式間隔數(shù)量從6 個降低至4 個。

圖3 典型開路故障下的uC1+uC2 波形 Figure 3 The uC1+uC2 waveform under a typical open-circuit fault

3 故障診斷

如前所述，準Z 源逆變器的所有橋臂直通狀態(tài)均體現(xiàn)為uleg=0。下面定義NFE為半個開關周期Ts內(nèi)，uleg波形中下降沿的數(shù)量，非故障狀態(tài)下NFE=3，而IGBT 存在開路故障時，由于系統(tǒng)直通狀態(tài)不是由單一橋臂實現(xiàn)的，故NFE減小為2。

假設準Z 源逆變器正常工作，則將tFEi(i=1，2，3)定義為一個開關周期Ts內(nèi)直通狀態(tài)開始時的時間(見圖4)，具體可計算如下：

式中，Uref和θ 分別為參考矢量的幅值和相角，n 為扇區(qū)號。

圖4 中下降沿FE1、FE2和FE3是通過不同的橋臂實現(xiàn)的，表1 列出了對應SVM 不同扇區(qū)的每個下降沿的直通相，如第3 扇區(qū)A3中的第2 個下降沿FE2是通過c 相橋臂直通實現(xiàn)的。在實際工程中，與式(4)得到的tFEi計算值相比，uleg中的下降沿會略微有延遲，這是由IGBT 關斷延遲特性所致。

圖4 uleg 波形中下降沿示意 Figure 4 Schematic of the falling-edge moments in the uleg waveform

表1 下降沿、扇區(qū)和故障相對應關系 Table 1 Relationship between falling edges, sectors, and fault phases

3.1 準Z 源逆變器下降沿檢測設計

為了捕獲下降沿，可利用微控制單元(microcontroller unit，MCU)芯片內(nèi)的“捕獲單元”，專為電力電子系統(tǒng)設計的MCU 通常具有此功能模塊，用于電機轉(zhuǎn)速或占空比測量，如TI公司的DSP芯片TMS320x28xxx系列。捕獲單元通常包括一個高帶寬邊沿檢測器，當下降沿或上升沿觸發(fā)邊沿檢測器時，可將DSP 芯片中的定時器值保存到捕獲寄存器，同時還可利用捕獲寄存器得到獲取多邊沿時序。在本研究的后續(xù)實驗測試中，使用的DSP 芯片TMS320F2808 包含有4 個捕獲寄存器CAP1～CAP4，通過每次觸發(fā)，可將定時器值順序保存在這些寄存器中。

為了實現(xiàn)下降沿檢測，應首先將uleg數(shù)字化，圖5為下降沿檢測電路。首先利用電阻分壓器將uleg縮小，并通過數(shù)字比較器將其與恒定電壓值Ucm比較，其中電阻分壓器的增益Krd設計為

通過式(6)的縮小配置，比較器輸入端Krduleg的峰值在3 V內(nèi)；考慮IGBT關斷延遲后將Ucm設置為1.5 V，比較器輸出ucap被直接送至捕獲單元。

圖5 下降沿檢測電路 Figure 5 Falling-edge detection circuit

下降沿觸發(fā)捕獲器后，將檢測到的下降沿時間點tcapj(正常運行時j=1, 2, 3，開路故障時j=1, 2)保存到捕獲寄存器CAPj。由于存在系統(tǒng)延遲，檢測到的tcapj不完全等于實際下降沿時刻tFEi，故對于每個tcapj，應考慮延遲裕度td后，才可視為準確的下降沿檢測。td可根據(jù)IGBT 的典型關斷時間toff設置，查閱搭建實驗測試所使用IGBT 的數(shù)據(jù)手冊，可得toff≈0.8 μs，那么考慮將其乘以2.5 得td=2 μs。如果tcapj與tFEi之差小于2 μs，則確認為檢測到下降沿。

3.2 IGBT 開路故障診斷算法

筆者所設計的IGBT 開路故障診斷算法基于檢查uleg中的直通間隔實現(xiàn)，同時uleg中缺失的直通間隔可用于定位存在開路故障的橋臂。與傳統(tǒng)逆變器IGBT開路故障診斷算法相比，所設計的方法具有快速、經(jīng)濟和高效的優(yōu)勢。新方案可在幾個開關周期內(nèi)檢測出開路故障，且無需借助快速運算處理器或高速測量。此外，IGBT 開路故障檢測不依賴于準Z 源逆變器的負載條件。

新型準Z 源逆變器IGBT 開路故障診斷算法的實施可分為兩個階段：第一步是確定IGBT 存在開路故障，第二步則是DSP 處理保存在寄存器中的數(shù)據(jù)，以辨識故障相，對IGBT 開路故障定位。

在每個Ts內(nèi)，檢查NFE是否為3，若連續(xù)3 個Ts內(nèi)都是NFE＜3，則DSP 開始對IGBT 開路故障診斷，第一階段完成。為了規(guī)避噪聲和干擾的影響，在算法的第一階段定義了2 個二進制變量PF 和DF，分別表示“可能故障”和“故障確認”狀態(tài)。若3 個連續(xù)的Ts中重復檢測到故障，則將PF 置位，然后在接下來的5 個Ts中檢查NFE，并保存tcapj和tFEi值至寄存器。在這5 個Ts中，對開路故障再次確認，即至少在5 個Ts中確認有3 個Ts是存在NFE＜3 的，則將DF 置位。換言之，系統(tǒng)開路故障的確認是通過DF 置位宣布的，然后才進入到診斷算法的第二階段。PF 和DF 置位的Ts數(shù)量，是根據(jù)實際測試中所需的檢測速度和準確性來配置的。

由式(4)、(5)計算tFE1、tFE2和tFE3，若存在開路故障，則僅從CAP1和CAP2寄存器檢索tcap1和tcap2、tFei及tcapj之間的差值可計算如下：

式中，tei,j為不同tFEi和tcapj間的差值。

當te1,1＞td，可判斷缺失的下降沿為FE1；當te2,1＞td且te2,2＞td，可判斷缺失的下降沿為FE2；當te3,2＞td，可判斷缺失的下降沿為 FE3。進一步，由下降沿信息結合開關周期對應扇區(qū)代入表1，即可定位故障相。

在準Z 源逆變器完成IGBT 開路故障診斷后，將故障相橋臂禁用，然后通過可控硅開關將冗余橋臂啟用，實現(xiàn)故障容錯運行(見圖6)。由于開路故障診斷算法可定位故障橋臂，無法定位橋臂中上下管故障，故結合使用冗余橋臂，完成準Z 源逆變器的故障容錯運行。

圖6 含冗余橋臂的三相準Z 源逆變器拓撲 Figure 6 Three-phase quasi-Z source inverter topology with redundant leg

4 實驗驗證

為驗證所提出的三相準Z 源逆變器IGBT 開路故障診斷算法，搭建了低壓準Z 源逆變器測試平臺，并開展了實驗驗證，實驗系統(tǒng)參數(shù)如表2 所示。其中，IGBT 選用600V/15A 模塊FSBS15CH60，逆變器輸入為恒壓直流源，其可在交流側提供1.2 kW 的功率。通過調(diào)整直流狀態(tài)持續(xù)時間，在輸入電壓變化時，uC1+uC2峰值保持恒定，約等于380 V?？刂破骰赥I 公司的DSP 芯片(TMS320F2808)實現(xiàn)，包含有PWM 模塊和捕獲單元，其中捕獲單元接口電路主要包括電阻分壓器、作為限壓器的齊納二極管和一個比較器(LM311)。

表2 實驗系統(tǒng)參數(shù) Table 2 Parameters of the experimental system

圖7 為準Z 源逆變器正常工況和IGBT 開路故障下的ia、ib和ic波形。其中，圖7(a)中的對稱三相電流有效值為3.5 A，圖7(b)表明Sau開路故障后ia仍存在半波，而圖7(c)則對應a 相橋臂上下管均故障時的電流波形(ia=0)。

圖8 為準Z 源逆變器正常工況和IGBT 開路故障下測得的uleg和ucap波形。其中，開路故障時系統(tǒng)直通狀態(tài)減少，uleg的峰值受到影響。這從圖9 中的uC1+uC2波形也可看出，電容電壓下降是由于直通持續(xù)時間減少所致，但ucap的峰值保持了5 V 恒定，有利于故障診斷。

圖10 為a 相上管Sau開路故障和整相橋臂開路故障時的PF 和DF 信號波形。其中，開路故障發(fā)生后經(jīng)3 個Ts，PF 便會置位，再經(jīng)幾個Ts后，DF 進一步置位。 DF 置位后則確認開路故障，算法進入到第二階段。表3所示為對應圖10(a)的故障診斷算法第二階段使用的數(shù)據(jù)，其中tcapj值是根據(jù)寄存器CAPj存儲值計算的，有

圖7 準Z 源逆變器輸出電流波形 Figure 7 Output current waveform of the quasi-Z-source inverter

圖8 uleg 和ucap 波形 Figure 8 Waveform of the uleg and ucap

圖9 uC1+uC2 波形 Figure 9 Waveform of the uC1+uC2

圖10 PF 和DF 信號波形 Figure 10 Waveform of the PF and DF signals

式中，PRD 是DSP 定時器周期。

表3 中，下降沿時間計算值與檢測到的實際時間只差約1μs。然后，根據(jù)tei,j和td的關系，以及表3，可得出未檢測到下降沿FE1的結論，結合扇區(qū)號和表2，可定位為a 相存在單管或雙管開路故障中。系統(tǒng)完成診斷算法后，通過控制可控硅開關，禁用故障a 相橋臂，并同時激活冗余橋臂，完成故障容錯運行。圖11 為準Z 源逆變器故障容錯運行的輸出電流波形，其中包含單管或雙管兩類開路故障，以及滿載和30%輕載工況。不同負載下的實驗結果驗證，故障診斷算法對負載條件具有獨立性。

表3 下降沿捕獲實測數(shù)據(jù) Table 3 Measured data of the captured falling edge

圖11 故障容錯運行輸出電流波形 Figure 11 Output current waveform during a fault-tolerant operation

5 結語

圍繞實現(xiàn)三相準Z 源逆變器的故障容錯運行，提出了一種新穎、快速且具有成本效益的IGBT 開路故障診斷方法。該診斷算法基于對直通狀態(tài)監(jiān)測實現(xiàn)，與負載條件無關，且無需專門的高速處理器，僅在系統(tǒng)中添加了低成本比較器電路即可。IGBT 開路故障診斷算法分為兩個階段實施，第一階段對故障確認，第二階段通過對DSP 寄存器值進行簡單計算，可完成故障相定位。實測結果表明，在不到10 個的開關周期內(nèi)，診斷算法既可完成故障檢測和定位，同時冗余橋臂也被激活，從而完成三相準Z 源逆變器故障容錯運行。