准Z 源逆变器中 IGBT 开路故障诊断

吴 越，凌祝军，叶效锋

（1. 温州市铁路与轨道交通投资集团有限公司，浙江温州 325000；2. 浙江众合科技股份有限公司， 杭州 310051；3. 浙江大学控制科学与工程学院，杭州 310027）

准Z 源逆变器可实现低压直流—交流的单级变换，较之双级变换器，其所需的功率开关器件更少，控制更灵活，故应用于轨道交通电力牵引、城轨控制系统、光伏和储能等工业场景时优势较大[1]。考虑到轨道交通中各电力设备的可靠性要求与日俱增[2]，为了提高轨道交通中准Z 源逆变器应用时的可靠性，有必要实现三相准Z 源逆变器故障诊断和容错运行。

Cecati 等认为，逆变器80%的故障是由功率半导体器件失效而引起的，如绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor，IGBT)，而失效的表现形式主要有短路和开路两种[3]。其中，开路故障可由开关故障或驱动故障引发，并导致IGBT 持续开路，若其长时间未被检测到，则系统仍会带故障运行，会使逆变器输出电能质量陡降。因此，IGBT 开路故障诊断是逆变器设计中的关键问题之一，而检测速度、成本、准确性和负载条件独立性是衡量检测手段的核心判据。各类开路故障诊断通常基于电流或电压采样分析来实现，其中基于电流的方法已有诸多文献进行了报道[4-10]。Lu 等对一些典型的基于电流信号分析的IGBT 开路故障诊断方法进行了总结[4]，其中大多数方案是对测得的三相电流开展数学分析，以辨识开路故障，无需额外硬件，成本低，但存在速度低、复杂度高且小负载下误诊率高的问题[5]。而采用基于电压的开路故障诊断方案，则速度显著提高，且误诊率较低，但通常需配置额外的测量硬件，成本和复杂度较高[6]。此外，还有基于系统模型衍生的观测器类IGBT开路故障检测方案[7-8]，以及基于小波分析算法和人工智能算法的开关器件开路故障诊断策略[9-10]，但其工程实用性欠佳。

笔者针对三相准Z 源逆变器，提出了一种基于电压的新型IGBT 开路故障诊断技术。相对于传统电流型方案，新方法能在更短的时间内辨识出IGBT开路故障，较之传统电压型方案，无需专门的高速处理器，实现简单，且辅助电路成本更低。此外，类似于传统电压型方案，新检测技术完全独立于负载条件。新型IGBT 开路故障诊断，基于准Z 源逆变器自身特性，结合开关周期内观察直通间隔对系统变量的影响，可分为故障检测和定位两个阶段，完成故障定位后将激活冗余桥臂取代故障桥臂，实现系统故障容错运行。

1 工作原理

图1 所示为三相准Z 源逆变器电路。

图1 三相准Z 源逆变器电路 Figure 1 Circuit diagram of a three-phase quasi-Z-source inverter

三相准Z 源逆变器具有以下两种工作模式：

1) 逆变模式。在此模式下，三相准Z 源逆变器的运行和常规三相电压源型逆变器一致，输入电流iL1保持连续流过输入侧二极管D。

2) 直通模式。在此模式下，通过选择任意一相桥臂直通短路，使二极管D 截止，直流源和电容同时给电感充电储能。

由于存在两种工作模式，准Z 源逆变器三相桥臂输入电压uleg表现为方波，即直通模式下uleg=0，而逆变模式下uleg等于输入电容电压之和，有

式中，uC1和uC2分别为电容C1和C2的端电压。

准Z 源逆变器的控制器通过控制直通模式的持续时间来调整uC1+uC2的峰值，即

式中，B 为升压比，Dsh为直通占空比，uB为uleg的峰值，uin为输入电压。当uin降低时，Dsh会被调整增加，以维持uB的近似恒定。

对于准Z 源逆变器的调制，通常采用直通矢量6段均匀分配的空间矢量调制(space vector modulation，SVM)，即直通模式持续时间划分为6 个相等间隔后，插入到常规SVM 主要矢量持续时间之间(见图2)，图中的参考矢量位于扇区A1。其中，Ta和Tb分别为SVM中有效矢量U1和U2的持续时间。而Tsha、Tshb和Tshc分别是a、b、c 三相直通矢量的持续时间，且有Tsha=Tshb=Tshc=Tsh，T0和T7为零矢量的持续时间。图2中准Z 源逆变器三相桥臂IGBT 导通和关断的转换时刻Ta+、Tb+、Tc+、Ta-、Tb-和Tc-可计算为

图2 6 段式SVM 调制示意 Figure 2 Schematic of a six-segment SVM modulation

2 故障分析

通常，IGBT 开路故障情况，仅IGBT 保持为开路，其反并联二极管仍可实现电流导通。当准Z 源逆变器出现IGBT 开路故障后，系统的各个状态变量(uC1、uC2、iL1和iL2)和输出功率中将出现低频谐波。另外，由于存在IGBT 开路状态，将有一相桥臂无法完成直通状态，使得uC1+uC2峰值下降，换言之，导致了升压比B降低。图3(a)和(b)所示为一相桥臂单个或2 个IGBT开路故障下的uC1+uC2典型波形。在这两种情况下， uC1+uC2峰值均出现下降，同时每个开关周期Ts可观察到uleg的直通模式间隔数量从6 个降低至4 个。

图3 典型开路故障下的uC1+uC2 波形 Figure 3 The uC1+uC2 waveform under a typical open-circuit fault

3 故障诊断

如前所述，准Z 源逆变器的所有桥臂直通状态均体现为uleg=0。下面定义NFE为半个开关周期Ts内，uleg波形中下降沿的数量，非故障状态下NFE=3，而IGBT 存在开路故障时，由于系统直通状态不是由单一桥臂实现的，故NFE减小为2。

假设准Z 源逆变器正常工作，则将tFEi(i=1，2，3)定义为一个开关周期Ts内直通状态开始时的时间(见图4)，具体可计算如下：

式中，Uref和θ 分别为参考矢量的幅值和相角，n 为扇区号。

图4 中下降沿FE1、FE2和FE3是通过不同的桥臂实现的，表1 列出了对应SVM 不同扇区的每个下降沿的直通相，如第3 扇区A3中的第2 个下降沿FE2是通过c 相桥臂直通实现的。在实际工程中，与式(4)得到的tFEi计算值相比，uleg中的下降沿会略微有延迟，这是由IGBT 关断延迟特性所致。

图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、扇区和故障相对应关系 Table 1 Relationship between falling edges, sectors, and fault phases

3.1 准Z 源逆变器下降沿检测设计

为了捕获下降沿，可利用微控制单元(microcontroller unit，MCU)芯片内的“捕获单元”，专为电力电子系统设计的MCU 通常具有此功能模块，用于电机转速或占空比测量，如TI公司的DSP芯片TMS320x28xxx系列。捕获单元通常包括一个高带宽边沿检测器，当下降沿或上升沿触发边沿检测器时，可将DSP 芯片中的定时器值保存到捕获寄存器，同时还可利用捕获寄存器得到获取多边沿时序。在本研究的后续实验测试中，使用的DSP 芯片TMS320F2808 包含有4 个捕获寄存器CAP1～CAP4，通过每次触发，可将定时器值顺序保存在这些寄存器中。

为了实现下降沿检测，应首先将uleg数字化，图5为下降沿检测电路。首先利用电阻分压器将uleg缩小，并通过数字比较器将其与恒定电压值Ucm比较，其中电阻分压器的增益Krd设计为

通过式(6)的缩小配置，比较器输入端Krduleg的峰值在3 V内；考虑IGBT关断延迟后将Ucm设置为1.5 V，比较器输出ucap被直接送至捕获单元。

图5 下降沿检测电路 Figure 5 Falling-edge detection circuit

下降沿触发捕获器后，将检测到的下降沿时间点tcapj(正常运行时j=1, 2, 3，开路故障时j=1, 2)保存到捕获寄存器CAPj。由于存在系统延迟，检测到的tcapj不完全等于实际下降沿时刻tFEi，故对于每个tcapj，应考虑延迟裕度td后，才可视为准确的下降沿检测。td可根据IGBT 的典型关断时间toff设置，查阅搭建实验测试所使用IGBT 的数据手册，可得toff≈0.8 μs，那么考虑将其乘以2.5 得td=2 μs。如果tcapj与tFEi之差小于2 μs，则确认为检测到下降沿。

3.2 IGBT 开路故障诊断算法

笔者所设计的IGBT 开路故障诊断算法基于检查uleg中的直通间隔实现，同时uleg中缺失的直通间隔可用于定位存在开路故障的桥臂。与传统逆变器IGBT开路故障诊断算法相比，所设计的方法具有快速、经济和高效的优势。新方案可在几个开关周期内检测出开路故障，且无需借助快速运算处理器或高速测量。此外，IGBT 开路故障检测不依赖于准Z 源逆变器的负载条件。

新型准Z 源逆变器IGBT 开路故障诊断算法的实施可分为两个阶段：第一步是确定IGBT 存在开路故障，第二步则是DSP 处理保存在寄存器中的数据，以辨识故障相，对IGBT 开路故障定位。

在每个Ts内，检查NFE是否为3，若连续3 个Ts内都是NFE＜3，则DSP 开始对IGBT 开路故障诊断，第一阶段完成。为了规避噪声和干扰的影响，在算法的第一阶段定义了2 个二进制变量PF 和DF，分别表示“可能故障”和“故障确认”状态。若3 个连续的Ts中重复检测到故障，则将PF 置位，然后在接下来的5 个Ts中检查NFE，并保存tcapj和tFEi值至寄存器。在这5 个Ts中，对开路故障再次确认，即至少在5 个Ts中确认有3 个Ts是存在NFE＜3 的，则将DF 置位。换言之，系统开路故障的确认是通过DF 置位宣布的，然后才进入到诊断算法的第二阶段。PF 和DF 置位的Ts数量，是根据实际测试中所需的检测速度和准确性来配置的。

由式(4)、(5)计算tFE1、tFE2和tFE3，若存在开路故障，则仅从CAP1和CAP2寄存器检索tcap1和tcap2、tFei及tcapj之间的差值可计算如下：

式中，tei,j为不同tFEi和tcapj间的差值。

当te1,1＞td，可判断缺失的下降沿为FE1；当te2,1＞td且te2,2＞td，可判断缺失的下降沿为FE2；当te3,2＞td，可判断缺失的下降沿为 FE3。进一步，由下降沿信息结合开关周期对应扇区代入表1，即可定位故障相。

在准Z 源逆变器完成IGBT 开路故障诊断后，将故障相桥臂禁用，然后通过可控硅开关将冗余桥臂启用，实现故障容错运行(见图6)。由于开路故障诊断算法可定位故障桥臂，无法定位桥臂中上下管故障，故结合使用冗余桥臂，完成准Z 源逆变器的故障容错运行。

图6 含冗余桥臂的三相准Z 源逆变器拓扑 Figure 6 Three-phase quasi-Z source inverter topology with redundant leg

4 实验验证

为验证所提出的三相准Z 源逆变器IGBT 开路故障诊断算法，搭建了低压准Z 源逆变器测试平台，并开展了实验验证，实验系统参数如表2 所示。其中，IGBT 选用600V/15A 模块FSBS15CH60，逆变器输入为恒压直流源，其可在交流侧提供1.2 kW 的功率。通过调整直流状态持续时间，在输入电压变化时，uC1+uC2峰值保持恒定，约等于380 V。控制器基于TI 公司的DSP 芯片(TMS320F2808)实现，包含有PWM 模块和捕获单元，其中捕获单元接口电路主要包括电阻分压器、作为限压器的齐纳二极管和一个比较器(LM311)。

表2 实验系统参数 Table 2 Parameters of the experimental system

图7 为准Z 源逆变器正常工况和IGBT 开路故障下的ia、ib和ic波形。其中，图7(a)中的对称三相电流有效值为3.5 A，图7(b)表明Sau开路故障后ia仍存在半波，而图7(c)则对应a 相桥臂上下管均故障时的电流波形(ia=0)。

图8 为准Z 源逆变器正常工况和IGBT 开路故障下测得的uleg和ucap波形。其中，开路故障时系统直通状态减少，uleg的峰值受到影响。这从图9 中的uC1+uC2波形也可看出，电容电压下降是由于直通持续时间减少所致，但ucap的峰值保持了5 V 恒定，有利于故障诊断。

图10 为a 相上管Sau开路故障和整相桥臂开路故障时的PF 和DF 信号波形。其中，开路故障发生后经3 个Ts，PF 便会置位，再经几个Ts后，DF 进一步置位。 DF 置位后则确认开路故障，算法进入到第二阶段。表3所示为对应图10(a)的故障诊断算法第二阶段使用的数据，其中tcapj值是根据寄存器CAPj存储值计算的，有

图7 准Z 源逆变器输出电流波形 Figure 7 Output current waveform of the quasi-Z-source inverter

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

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

图10 PF 和DF 信号波形 Figure 10 Waveform of the PF and DF signals

式中，PRD 是DSP 定时器周期。

表3 中，下降沿时间计算值与检测到的实际时间只差约1μs。然后，根据tei,j和td的关系，以及表3，可得出未检测到下降沿FE1的结论，结合扇区号和表2，可定位为a 相存在单管或双管开路故障中。系统完成诊断算法后，通过控制可控硅开关，禁用故障a 相桥臂，并同时激活冗余桥臂，完成故障容错运行。图11 为准Z 源逆变器故障容错运行的输出电流波形，其中包含单管或双管两类开路故障，以及满载和30%轻载工况。不同负载下的实验结果验证，故障诊断算法对负载条件具有独立性。

表3 下降沿捕获实测数据 Table 3 Measured data of the captured falling edge

图11 故障容错运行输出电流波形 Figure 11 Output current waveform during a fault-tolerant operation

5 结语

围绕实现三相准Z 源逆变器的故障容错运行，提出了一种新颖、快速且具有成本效益的IGBT 开路故障诊断方法。该诊断算法基于对直通状态监测实现，与负载条件无关，且无需专门的高速处理器，仅在系统中添加了低成本比较器电路即可。IGBT 开路故障诊断算法分为两个阶段实施，第一阶段对故障确认，第二阶段通过对DSP 寄存器值进行简单计算，可完成故障相定位。实测结果表明，在不到10 个的开关周期内，诊断算法既可完成故障检测和定位，同时冗余桥臂也被激活，从而完成三相准Z 源逆变器故障容错运行。