TSMC功率开关故障诊断优化

邓文浪，唐亚辉，李彬艳，吴金凤，严煜坤

（湘潭大学 信息工程学院，湖南 湘潭 411105）

0 引言

矩阵变换器MC（Matrix Converter）具有功率因数可调、输入输出性能优良、能量双向流动及结构紧凑等优点，在电力系统、电力传动等领域有较大的应用前景［1-4］。MC拓扑包括常规矩阵变换器CMC（Conventional Matrix Converter）和双级矩阵变换器TSMC（Two-Stage Matrix Converter）两大类型。这 2 种拓扑都由数量较多的IGBT作为开关器件，IGBT工作在高温、高频状态是电力电子系统中易发生故障的薄弱环节，功率开关故障会导致系统的性能下降甚至崩溃，因此对MC进行功率开关故障的在线诊断并采取合适的容错控制［5-10］具有重要的意义。

开路故障和短路故障是功率管最为常见的故障，短路故障一般由硬件电路（熔断器等）做保护处理，因此，对功率管的故障诊断主要为开路故障。目前根据故障提取量的不同，CMC的故障诊断方法可分为电流法和电压法。

电流法主要根据CMC输出电流、箝位电流的故障特征和开关状态定位故障开关［11-12］。电流法诊断成本低，但实现起来复杂，诊断时间长，容易受负载运行状态影响。

MC的功率开关故障会直接影响其输出电压，因此根据输出电压故障特征来诊断开关，具有诊断速度快、准确度高、实现简单等优点［13-18］。文献［13-18］提出了根据计算CMC的9个调制误差电压定位故障开关的诊断方法，该方法独立于CMC调制策略且不受负载的影响，诊断快速且准确率高，但该方法仅针对CMC拓扑。由于拓扑结构、箝位电路上的差异，CMC的诊断方法不适用于TSMC。文献［19-20］提出了TSMC的电压法故障诊断方法，但都需要利用直流侧的电压故障特征去定位故障开关，这使诊断过程更加复杂，并需要增加电压传感器来检测直流侧电压，增加了诊断成本。

本文对典型的TSMC拓扑——18开关TSMC的功率开关故障诊断策略进行研究，分别针对整流级和逆变级功率开关故障，研究TSMC在故障情况下的运行模式，分析了TSMC三相输出端相电压的故障特征；在此基础上，结合TSMC空间矢量调制的特点，提出了基于开关组误差电压的故障诊断方法，即根据TSMC输出相电压误差、开关信号来判断TSMC故障开关组并定位故障开关。所提诊断策略具有诊断速度快（少于一个开关周期）、无需引入直流电压、诊断准确、算法简单、不受负载运行状态影响等优点。建立了TSMC故障诊断系统的实验平台，实验结果验证了理论分析的正确性和所提诊断方法的可行性。

1 TSMC调制策略

1.1 TSMC的拓扑结构

带箝位电路的TSMC结构图如图1所示。

图1 带箝位电路的TSMC结构图Fig.1 Structural diagram of TSMC with clamp circuits

TSMC输入、输出电压的变换关系为：

其中，ui为三相输入端相电压，iϵ｛a，b，c｝；ux为三相输出端相电压，xϵ｛A，B，C｝；Sxw、Siw分别为连接输入端i相和输出端 x 相的功率开关组状态，wϵ｛p，n｝。

1.2 双空间矢量调制策略

1.2.1 整流级空间矢量调制

整流级6个双向功率开关可合成6个输入电流有效空间矢量（I1—I6），如图2（a）所示。图2（a）中括号里的数字从左至右分别代表a、b、c三相桥臂上下开关通断状态，1表示所在相上桥臂开关导通，0表示所在相下桥臂开关导通，X表示所在相上下桥臂开关全部处于断开状态。当某一相桥臂上下开关导通、另两相桥臂开关全关断时，输入电流矢量为零矢量，整流级输出直流电压为0。

1.2.2 逆变级空间矢量调制

逆变级6个功率开关可合成6个线电压有效空间矢量（U1—U6）和 2 个零矢量，如图2（b）所示。图2（b）中括号里的数字从左至右分别代表A、B、C三相桥臂上下开关通断状态，1表示所在相上桥臂开关导通，0表示所在相下桥臂开关导通。

图2 双空间矢量调制Fig.2 Dual space vector modulation

1.2.3 整流级和逆变级两级开关协调控制

一个开关周期内整流级和逆变级开关协调控制如图3所示，其中，Ts为开关周期。图3中：①为整流级输出的两级直流电压，设要合成的参考输入电流矢量处于第1扇区，其相邻的I1和I6对应的开关状态合成瞬时整流输出电压分别为输入线电压uac和uab，在零矢量作用下输出零电压，tab、tac分别为I6、I1在一个开关周期内的作用时间；②为逆变级开关矢量分配，在整流级零电压作用期间输出零矢量，而在两级线电压下分别进行一次空间矢量调制。设要合成的参考输出线电压处于第2扇区，其相邻2个有效空间矢量为U1和U2。整流级直流侧输出电压为uab期间，逆变级有3个空间矢量与之对应，分别为逆变级第2扇区对应的2个有效空间矢量U1、U2和零矢量U0，d0、d1、d2分别为U0、U1、U2的占空比。

图3 双空间矢量调制法的两级开关协调控制Fig.3 Coordinated control between two switch levels of dual space vector modulation

2 功率开关故障下TSMC运行模式及故障特征

2.1 整流级功率开关故障下TSMC运行模式及输出相电压故障特征

设整流级开关信号状态为10X（导通开关为Sap、Sbn），逆变级开关信号状态为110（导通开关为SAp、SBp、SCn）。直流侧电流idc以图1中所示流向为参考方向。

（1）正常运行情况。

idc为正时，输出A、B相相电压通过开关SAp、SBp与输入a相连通，输出C相相电压通过开关SCn与输入b相连通，以电源中点为参考电位，此时输出端相电压为uA=ua，uB=ua，uC=ub。

idc为负时，电流经与SAp、SBp反并联的续流二极管VD1、VD3流出负载，使输出A、B相相电压与输入a相连通，此时输出相电压 uA=ua，uB=ua，uC=ub。

由以上分析可知，正常运行时，TSMC输出相电压与某一时刻整流级导通的输入相电压相等。

（2）整流级开关Sap发生开路故障。

idc为正时，由于整流级开关Sap开路，电流不能通过整流级开关Sap流向逆变级的A、B相，此时A、B相电流由续流二极管VD2、VD4构成回路，输出相电压 uA≠ua、uB≠ua，TSMC 的输出 A、B 相相电压与正常运行时的输出A、B相相电压产生偏差。

idc为负时，由于整流级开关Sap开路，整流级不能提供电流流通路径，A、B相电流经续流二极管VD1、VD3向箝位电路中的电容进行充电，此时的输出相电压 uA≠ua、uB≠ua，TSMC 的输出 A、B 相相电压与正常运行时的输出相电压产生偏差。

同理可得到整流级、逆变级在其他开关状态组合下，整流级功率开关出现故障时的TSMC输出端相电压的故障特征。分析可得：整流级功率开关故障会直接影响与之相连的输出相电压。

2.2 逆变级功率开关故障下TSMC运行模式及输出相电压故障特征分析

设TSMC开关状态与第2.1节设置相同，TSMC输出电流流向负载的方向为正，反之则为负。

（1）TSMC 正常运行。

由第2.1节分析可知，此时，TSMC输出相电压uA=ua，uB=ua，uC=ub。

（2）逆变级开关SAp发生开路故障。

A相电流iA为正时，由于逆变级开关SAp开路，此时电流iA不能通过SAp流通，由于带有感性负载的电路中电流不能突变，A相电流经续流二极管VD2流向负载。此时TSMC输出相电压uA≠ua，A相相电压与正常运行时的输出A相相电压产生偏差，而B、C两相的相电压仍为正常值。

iA为负时，此时A相电流不经过开关SAp，而是由续流二极管VD1流出负载，因此，SAp发生开路故障对TSMC的输出相电压没有影响，输出相电压仍为正常值即 uA=ua，uB=ua，uC=ub。

同理可得到整流级、逆变级在其他开关状态组合下，逆变级功率开关发生故障时的TSMC输出端相电压故障特征。分析可得：TSMC逆变级功率开关发生故障会使故障开关所在相的输出端相电压产生偏差。

3 基于开关组误差电压的故障诊断策略

根据第2节TSMC运行模式分析及其输入、输出电压变换关系，定义TSMC开关组误差电压为：

其中，Sjp、Skp和 Sjn、Skn分别为连接 TSMC 输出端 j（j=A，B，C）相和输入端 k（k=a，b，c）相的 2 组开关组控制信号。理想情况下，当开关组中各开关控制信号Sjp、Skp或Sjn、Skn为1时，如果开关组各开关正常导通，uj=uk，则εjk=0；如果开关组某一开关发生开路故障，则 uj与 uk不相等，即 uj-uk≠0，此时 εjk≠0。因此，当根据式（2）计算得到某一εjk大于阈值（考虑功率管压降、外界扰动等因素设定阈值）时，开关组误差电压对应的开关组中存在功率开关开路故障，本文将此开关组定义为故障开关组。

TSMC的故障诊断分析中设整流级开关信号为10X，假设整流级Sap为故障开关（即Sap=0）。

a.逆变级开关信号为110时，由第2节故障模式分析可知，此时TSMC输出端A、B两相相电压会出现误差，即 uA-ua≠0，uB-ua≠0，将开关信号和误差电压代入式（2）得：

此时，可根据开关组误差电压εAa和εBa判断故障开关组为SAp、Sap和 SBp、Sap，故障开关为整流级的Sap或逆变级的SAp和SBp。只考虑一个功率开关出现故障情况，所以定位故障开关为Sap。

b.逆变级开关信号为111时，由第2节故障模式分析可知，此时输出端A、B、C三相相电压都会出现误差，即 uA-ua≠0，uB-ua≠0，uC-ua≠0，将开关信号和误差电压代入式（2）得：

此时，可以根据开关组误差电压判断故障开关组为SAp、Sap，SBp、Sap和 SCp、Sap，故障开关为整流级的Sap或逆变级的SAp、SBp、SCp。由于3个开关组都包含了整流级开关Sap，所以定位故障开关为Sap。

c.逆变级开关信号为100时，由第2节故障模式分析可知，此时输出端A相相电压会受影响，即uA-ua≠0，将开关信号和误差电压代入式（2）得：

此时，可根据开关组误差电压判断故障开关组为Sap、SAp，故障开关为整流级的 Sap或逆变级的 SAp。

d.逆变级开关信号为100时，设整流级无故障，逆变级SAp为故障开关（即SAp=0），由第2节故障模式分析可知，此时输出端A相电压与输入a相电压会出现误差，即uA-ua≠0，将开关信号和误差电压代入式（2）得：

由情况c（整流级开关Sap发生故障，整流级、逆变级的开关状态分别为10X、100）和情况d（逆变级开关SAp发生故障，整流级、逆变级的开关状态分别为10X、100）分析知，整流级开关故障和逆变级开关故障会产生相同的输出相电压误差特征和开关组误差电压，故不能根据输出相电压误差特征和开关组误差电压判断故障开关所处区域（处于整流级或逆变级）。

同理可得到其他功率开关故障情况下TSMC输出相电压的故障特征。通过分析可得到如下结论：当逆变级任何一个功率开关故障时，TSMC输出端只有一相相电压（故障开关所在相）出现误差；当整流级发生功率开关故障时，TSMC的输出相电压故障特征与逆变级开关状态相关，整流级故障开关所处同层桥臂（上桥臂或下桥臂）的逆变级开关导通数量等于TSMC输出端误差相电压个数。因此，当同层逆变级开关导通数为1个时，如果只有该导通开关所在相出现相电压误差，此时不能分辨故障开关所处区域，必须通过其他方法来进一步定位故障开关。可以通过分析TSMC直流电压故障特征来判断故障开关所处区域，但需要增加额外的传感器检测直流电压，增加了诊断的成本，并使诊断过程更加复杂。本文不采用此方法。

由以上分析可知，对于情况a（整流级开关Sap发生故障，整流级、逆变级的开关状态分别为10X、110）和情况b（整流级开关Sap发生故障，整流级、逆变级的开关状态分别为10X、111）中TSMC输出相电压误差个数大于1的情况，可根据开关组误差电压准确地定位故障开关；针对情况c、d中只有一相相电压出现误差的情况，可先不进行诊断，而是等到逆变级开关状态变化，与故障开关同层的逆变级有2个或3个开关导通时再进行诊断，这时就可以通过出现相电压误差的个数定位出故障开关。

由逆变级的空间矢量调制扇区图2（b）可知，逆变级任一扇区的2个有效空间矢量代表逆变级的2种开关状态，这2种开关状态使逆变级同层1个开关导通和2个开关导通的状态交替出现。以图3所示开关状态为例，一个开关周期内，在整流级开关状态10X下，逆变级开关状态100和110依次出现。当TSMC只有一相相电压误差时（假设此时整流级开关状态为10X，逆变级开关状态为100），此时不能判断是Sap故障还是SAp故障，因而不进行诊断，而是等到逆变级开关状态切换为110时进行故障诊断，由空间矢量调制图可知该等待时间少于一个开关周期，具体诊断过程如情况a所述。

当开关组误差电压的绝对值大于阈值时，说明有故障开关存在，用逻辑电平1表示开关组误差电压大于阈值，0表示开关组误差电压小于阈值。则整流级功率开关发生开路故障后产生的开关组误差电压如表1所示，逆变级功率开关发生故障后产生的开关组误差电压如表2所示。

表1 整流级功率开关故障下的开关组误差电压Table1 Switch-group error voltages for rectifier-side power-switch faults

表2 逆变级功率开关故障下的开关组误差电压Table 2 Switch-group error voltages for inverter-side power-switch faults

TSMC故障开关的诊断流程如图4所示（图中h为阈值电压）。

图4 TSMC故障开关诊断方法流程图Fig.4 Flowchart of TSMC faulty switch diagnosis

4 TSMC故障诊断系统实验研究

为了验证本文所提诊断方法的正确性，搭建了TSMC故障诊断系统实验平台。实验采用TMS320F-28335型数字信号处理器DSP（Digital Signal Processor）、EPM570型复杂可编程逻辑器件 CPLD（Complex Programmable Logic Device），基于 DSP 和 CPLD的TSMC故障诊断实验系统如图5所示。根据TSMC的双空间矢量调制策略，将三相输入相电压、三相输出相电压瞬时值采样经信号调理电路送入DSP。DSP分析和处理采样信息，计算出整流级与逆变级的占空比信息、扇区信号、TSMC输出相电压误差的逻辑电平信号，并发送给CPLD（由于DSP的输出只能为逻辑电平，因此误差大于阈值电压时置为1，误差低于阈值电压时置为0，根据实验测试结果，本文将阈值电压设为20 V）。CPLD根据输入的占空比信息、扇区信号解码出整流级和逆变级功率开关的开关信号，同时将代表TSMC输出相电压误差的逻辑电平信号与开关信号进行逻辑运算，得到对应的开关组误差电压（逻辑电平1代表开关组误差电压大于阈值电压，0代表开关组误差电压小于阈值电压）。

图5 基于DSP和CPLD的TSMC故障诊断实验系统Fig.5 TSMC fault diagnosis system based on DSP and CPLD

5 实验结果及其分析

实验参数如下：三相对称输入电压为50 V（考虑实验的安全性，频率为50 Hz，），开关频率为5 kHz，三相输入、输出相电压的采样频率为50 kHz，TSMC输出频率为50 Hz。

由于IGBT导通的延时以及采样的离散性，为了避免开关故障的误判断，在给出开关导通信号后延时20 μs（延时一个采样周期）再进行开关组误差计算。

（1）系统正常运行情况。

开关信号Sap=1、SAp=1、SBp=1且系统正常运行时，由导通开关连接的TSMC输入、输出相电压，开关信号及开关组误差电压εAa、εBa的波形分别如图6、7 所示。由图6、7 可知，Sap、SAp、SBp导通时，Sap、SAp、SBp连接的输入相电压与输出相电压近似相等，输出A相和B相误差电压近似为0，因而开关组误差电压εAa、εBa近似为0（以逻辑电平 0 表示）。

（2）整流级开关Sap开路故障（在实验中去掉Sap的驱动信号）情况。

开关信号Sap=1、SAp=1、SBp=1且整流级开关Sap故障时，由导通开关连接的TSMC输入、输出端相电压，开关信号及开关组误差电压εAa、εBa波形分别如图8、9 所示。由图8、9 可知，Sap、SAp、SBp导通时连接的输入相电压与输出相电压不相等，即输出A相和B相电压出现误差电压，开关组误差电压εAa、εBa大于阈值电压（以逻辑电平1表示）。

图6 系统正常运行时TSMC输入输出相电压、开关信号和开关组误差电压εAa波形Fig.6 Waveforms of TSMC input and output phase voltages，switch signal and switch-group error voltage εAain normal system operation condition

图7 系统正常运行时TSMC输入输出相电压、开关信号和开关组误差电压εBa波形Fig.7 Waveforms of TSMC input and output phase voltages，switch signal and switch-group error voltage εBain normal system operation condition

图8 Sap故障时TSMC输入输出相电压、开关信号和开关组误差电压εAa波形Fig.8 Waveforms of TSMC input and output phase voltages，switch signal and switch-group error voltage εAawhen Sapis faulty

图9 Sap故障时TSMC输入输出相电压、开关信号和开关组误差电压εBa波形Fig.9 Waveforms of TSMC input and output phase voltages，switch signal and switch-group error voltage εBawhen Sapis faulty

（3）逆变级开关SAp故障情况。

开关信号Sap=1、SAp=1、SBp=1且逆变级开关SAp故障时，由导通开关连接的TSMC输入、输出端相电压，开关信号及开关组误差电压εAa、εBa波形分别如图10、11 所示。由图10、11 可知，Sap、SAp、SBp导通时连接的输入相电压与输出A相电压不相等，而输出B相相电压没有出现误差电压，因而开关组误差电压εAa大于阈值电压（以逻辑电平1表示），εBa近似为0（以逻辑电平0表示）。

由实验结果可知：功率开关正常运行时，导通功率开关对应的开关组误差电压为低电平（即小于阈值电压）；整流级开关Sap发生故障，当逆变级同层桥臂有2个开关导通时，TSMC输出端A相和B相电压出现误差，对应的2个开关组误差电压大于阈值电压；逆变级开关SAp发生故障，当逆变级同层桥臂有2个开关导通时，TSMC输出端只有A相电压出现误差，对应的1个开关组误差电压大于阈值电压。实验结果与理论分析一致。

采用不同的负载（改变负载参数、电机负载等）对本文所提诊断方法进行验证，实验结果表明负载类型与负载运行状态对诊断方法的快速性、准确性没有影响。

图10 SAp故障时TSMC输入输出相电压、开关信号和开关组误差电压εAa波形Fig.10 Waveforms of TSMC input and output phase voltages，switch signal and switch-group error voltage εAawhen SApis faulty

图11 SAp故障时TSMC输入输出相电压、开关信号和开关组误差电压εBa波形Fig.11 Waveforms of TSMC input and output phase voltages，switch signal and switch-group error voltage εBawhen SApis faulty

6 结论

本文分析了正常运行和功率开关故障下TSMC的运行模式，分析了功率开关故障下TSMC输出端相电压的故障特征，提出了开关组误差电压概念。在此基础上，提出了基于开关组误差电压判断故障开关组并根据开关信号和输出相电压误差定位故障开关的故障诊断策略。所提方法具有诊断准确、诊断速度快、不受负载运行状态影响等优点。实验结果验证了理论分析的正确性以及所提故障诊断策略的可行性。

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