高 源, 王 凱

(1.浙江伊控動力系統(tǒng)有限公司, 上海 201804;2.青島大學威海創(chuàng)新研究院, 山東 威海 264200)

逆變器作為一種重要的電源轉(zhuǎn)換裝置,能夠把直流電能轉(zhuǎn)變成定頻定壓或調(diào)頻調(diào)壓的交流電[1],其安全、穩(wěn)定運行對提高整個變流系統(tǒng)的可靠性具有重要影響[2]。新能源汽車電驅(qū)逆變器系統(tǒng)是車輛動力系統(tǒng)輸出的零部件,其輸出三相高壓電流驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動,使電機輸出目標轉(zhuǎn)速和扭矩帶動車輛運行。電驅(qū)逆變器與汽車動力和安全性直接相關,其布置與車輛前端,環(huán)境溫度、振動環(huán)境較為密切。因此,電驅(qū)逆變器的電壓、電流和溫度等參數(shù)是車輛安全運行的關鍵數(shù)據(jù)。每類設備都具有各自的故障特征[3],逆變器工作時經(jīng)常會遇到各種工作狀況,如過載、負載短路、橋臂直通、過高的電流增長率等問題[4]。逆變器系統(tǒng)需要對直流母線電壓和三相電流等參數(shù)進行實時監(jiān)測,在出現(xiàn)信號故障時,執(zhí)行保護動作,實現(xiàn)對產(chǎn)品和車輛安全的保護,保證產(chǎn)品穩(wěn)定運行[5]。電驅(qū)逆變器系統(tǒng)故障處理電路需要對故障信號進行濾波處理,避免開關器件開關產(chǎn)生的電磁干擾引起故障誤報。而要實現(xiàn)容錯控制,首先必須快速檢測、診斷并準確定位故障[6]。許多學者在感應電動機驅(qū)動系統(tǒng)中提出了電力電子變換器和逆變器的故障檢測和保護方法。LU B等人[7]在保障逆變器在運行過程中的可靠性和安全性問題進行研究;D.A.GADANAYAK[8]在分布式發(fā)電系統(tǒng)中,通過不同的保護方法和技術對逆變器的保護策略進行研究;LI Z等人[9]研究了三相逆變器各種保護方法,并對此進行了比較和評估。此外,F.AHMAD等人[10]研究了電力電子系統(tǒng)中的故障診斷和容錯控制技術,并討論了逆變器故障保護方法。傳統(tǒng)電驅(qū)控制器系統(tǒng)一般使用可編程邏輯器件芯片方案設計故障鎖存電路,實現(xiàn)故障保護動作和故障信號的鎖存,實現(xiàn)對逆變器系統(tǒng)的保護[11]?？删幊踢壿嬓酒桨傅姆桨附Y(jié)構復雜,成本十分昂貴[12],需要使用硬件邏輯編程語言編制故障保護流程程序,燒錄到可編程邏輯芯片,在硬件設計中引入程序編制環(huán)節(jié)[13]?；诖?本文提出新能源汽車電驅(qū)逆變器系統(tǒng)故障鎖存保護電路的結(jié)構,包括故障信號濾波、故障信號鎖存及鎖存信息上報與清除等功能,保證故障信號不被電磁干擾等因素影響而引發(fā)故障誤報。在車輛發(fā)生故障信號置位時,可及時鎖存并上報相關故障信息,實現(xiàn)系統(tǒng)的過流和過壓保護,保護逆變器系統(tǒng)和整車安全。該設計實現(xiàn)了故障檢測、屏蔽和清除功能,提升了系統(tǒng)的安全性和可靠性。

1 緒論

逆變器作為電源轉(zhuǎn)換裝置的一項關鍵技術,能夠有效地將直流電能轉(zhuǎn)化為交流電,啟動速度快、高效率、安全性能卓越,以及強大的適應性和穩(wěn)定性,廣泛應用于航空航天、軌道交通、新能源發(fā)電、汽車、船舶、數(shù)控機床等多個領域,也應用于通用變頻器、不間斷電源、空調(diào)、冰箱、洗衣機等各類儀器。特別是結(jié)構簡化、易于控制的三相電壓源逆變器,在工業(yè)和國防領域的關鍵領域得到廣泛應用[14-17],為生產(chǎn)和生活提供了便捷。

目前,逆變器的拓撲結(jié)構、控制策略和系統(tǒng)優(yōu)化已經(jīng)成熟,正在朝著更加智能化的方向發(fā)展[18]。然而,逆變器在工作中面臨著高電應力和熱應力的挑戰(zhàn),交流側(cè)和直流側(cè)的異常擾動容易導致系統(tǒng)故障,引發(fā)各種問題。在眾多領域中,逆變器系統(tǒng)常在惡劣條件下運行,任何組件都可能發(fā)生故障,導致整個系統(tǒng)無法正常工作。長期運行在高壓和大電流狀態(tài)下的功率開關器件,尤其是實現(xiàn)各種PWM控制的逆變器和整流器,容易出現(xiàn)故障[19-20]。為了提高逆變器系統(tǒng)的可靠性和安全性,國內(nèi)外專家學者提出了故障診斷和容錯控制技術,通過快速診斷故障位置,采取相應的容錯控制方法來維持系統(tǒng)穩(wěn)定,并盡可能恢復系統(tǒng)的性能。

為了確保逆變器系統(tǒng)在故障后能夠快速切換到容錯控制策略,以最短的時間內(nèi)恢復到安全穩(wěn)定的狀態(tài),避免系統(tǒng)不穩(wěn)定或二次故障的發(fā)生,故障診斷方法的迅速性和準確性至關重要。因此,研究快速準確的逆變器故障診斷方法對于提高系統(tǒng)的安全性和可靠性具有重要意義,具有廣泛的實際應用價值和前景。

2 逆變器拓撲結(jié)構及故障分析

目前,逆變器的常見拓撲結(jié)構主要包括兩電平和多電平。實際中,較為常見的拓撲結(jié)構有兩電平的H橋逆變器和三相逆變器,以及三電平的中點鉗位型逆變器和T型逆變器。不同拓撲結(jié)構的逆變器系統(tǒng)在故障分布方面基本相似,主要包括功率開關管故障、二極管故障、電容故障以及PCB板故障等。雖然在系統(tǒng)狀態(tài)變化、故障類型和故障特征變量等方面可能存在差異,但故障的影響機制、故障分析方法以及特征提取方式在本質(zhì)上是相似的。本研究針對廣泛應用的兩電平三相電壓源逆變器拓撲結(jié)構,文獻[13]和文獻[22]對三相電壓源逆變器的主要故障分布進行了詳細分析,三相電壓源逆變器的主要故障分布示意圖如圖1所示。圖中主要故障有10種情況,分別為1)直流欠過壓故障;2)直流母線電容短路故障;3)直流母線接地故障;4)逆變器單管開路故障;5)逆變器整流二極管短路故障;6)逆變器橋臂短路故障;7)逆變器功率管驅(qū)動信號故障:8)電機單相繞組開路:9)電機兩相繞組短路故障;10)電機單相繞組接地故障。

圖1 三相電壓源逆變器的主要故障分布示意圖

新能源汽車的電驅(qū)逆變器是現(xiàn)代電動汽車的核心部件之一,它負責將電池供電的直流電轉(zhuǎn)換成交流電以驅(qū)動電動機。然而,在電驅(qū)逆變器的長時間運行中,可能會發(fā)生不同故障,這些故障可能對車輛的性能、安全性和可靠性產(chǎn)生嚴重影響。因此,為了確保新能源汽車的安全和可靠性,電驅(qū)逆變器必須配備故障鎖存保護電路,以在故障發(fā)生時采取必要的措施保護系統(tǒng)。

3 故障鎖存保護電路結(jié)構設計

傳統(tǒng)新能源汽車逆變器系統(tǒng)故障鎖存系統(tǒng)結(jié)構框圖如圖2所示。控制電路直接對OC和OV采樣獲取,故障信號分別輸送到MCU主控芯片和故障鎖存與保護電路,實現(xiàn)故障信號狀態(tài)鎖存,并將鎖存信號回傳給MCU,MCU通過中斷的方式獲取故障信息,同時和鎖存信號比較進行二次判斷,確認對比結(jié)果是否一致。硬件故障鎖定和保護電路的鎖存狀態(tài),可通過MCU控制清除信號,實現(xiàn)對該電路鎖存故障的清除或暫時屏蔽。

圖2 故障鎖存系統(tǒng)結(jié)構框圖

本文提出的電驅(qū)逆變器中的故障鎖存保護電路方案,利用分離邏輯器件非門、與門、與非門及D觸發(fā)器,同時配合軟件策略,實現(xiàn)對過壓、過流故障的鎖存、清除或者屏蔽,新式故障鎖存保護電路原理圖如圖3所示。

圖3 新式故障鎖存保護電路原理圖

該方案中故障防抖模塊結(jié)構包括電阻R1和電容C1組成過流信號的一階RC濾波,連接到與非門的輸入端;電阻R2和電容C2組成過壓信號的一階RC濾波,連接到與非門的輸入端[23]。濾波電路能有效濾除高頻干擾信號,避免了故障的誤觸發(fā)[24]。R1與C1組成的濾波結(jié)構,能有效濾除開關噪聲帶來的電壓干擾,電路的充電時間是由故障使能的緩沖時間確定;其電路充電時長可通過調(diào)節(jié)R1與C1參數(shù),更改電容充電時間來調(diào)節(jié),實現(xiàn)針對不同功率逆變器過壓、過流故障,分別設置故障緩沖時間的目的。

4 故障鎖存保護系統(tǒng)邏輯設計

新能源汽車逆變器系統(tǒng)的故障信號一般采用高電平無故障、低電平有故障的模式。正常運行時,OV信號和OC信號的電壓為高電平[25],發(fā)生故障后,故障信號迅速由高電平變?yōu)榈碗娖?D觸發(fā)器可捕獲有效上升沿[26]。正常工作時,MCU發(fā)出的Fault Clear信號常低,D觸發(fā)器的D引腳常高,CP引腳捕獲到上升沿以后,D觸發(fā)器立即通過Q引腳鎖定D引腳的狀態(tài),利用D觸發(fā)器的輸出更新只在CP引腳上升沿進行的特點,實現(xiàn)故障鎖存功能[27]。

基于故障鎖存和保護電路設計,設計故障鎖存和保護電路實現(xiàn)如下邏輯功能。系統(tǒng)處于開發(fā)調(diào)試狀態(tài)時,故障屏蔽信號置為0,方便故障參數(shù)調(diào)試;系統(tǒng)處于用戶使用狀態(tài)時,故障屏蔽信號置為1,執(zhí)行故障監(jiān)測功能。系統(tǒng)在用戶端上電或每次故障處理完成時,FLTCLR先置為1,執(zhí)行故障清除動作,確保整車清除故障,然后將FLTCLR置為0,執(zhí)行故障監(jiān)測功能。

當系統(tǒng)發(fā)生故障,引起故障信號置位時,即使MCU發(fā)出有效的清故障指令,由于D觸發(fā)器的D引腳電平受前級與非門邏輯輸入端控制,故障信號限制使前級與非門邏輯的一端輸入為低電平,其輸出電平被約束為高電平,使D觸發(fā)器鎖存的故障信號無法被MCU清除指令清除掉。實現(xiàn)在有故障存在時,軟件無法清除故障的故障保護功能,即使故障消失,D觸發(fā)器輸出仍然不變,即實現(xiàn)了故障鎖存功能。

基于故障鎖存和保護電路設計,結(jié)合新能源汽車電驅(qū)逆變器系統(tǒng)重點故障OC過流故障,OV過壓故障作為鎖存和保護電路輸入。故障鎖存電路邏輯設計如表1所示。表中,OC和OV高電平1表示無故障,低電平0表示有故障[28];Clear信號中1表示執(zhí)行清故障指令;故障鎖存信號中的0表示無故障被鎖存,1表示有故障被鎖存。

表1 故障鎖存電路邏輯設計

由表1可以得到,當所有輸入信號都是高電平時,故障鎖存信號的狀態(tài)是不確定的,表示在系統(tǒng)初始狀態(tài)下,故障鎖存狀態(tài)未定義,初始狀態(tài)不定;根據(jù)Fault disable信號,判斷是否允許故障檢測和鎖存。如果Fault disable為低電平0,無論OC和OV的狀態(tài)如何,故障鎖存信號都應為低電平,表示沒有故障被鎖存。如果Fault disable為高電平1,根據(jù)OC和OV的狀態(tài)確定故障鎖存信號的值。當Clear信號為高電平1時,故障鎖存信號被清除,即設置為低電平,表示沒有故障被鎖存。

5 實驗結(jié)果

基于新能源電驅(qū)逆變器過壓及過流故障作為電路輸入,通過實驗驗證本文提出的故障鎖存和保護邏輯功能,驗證其邏輯設計功能。測試工況為當OC故障發(fā)生,邏輯電路輸出信號置位并鎖存;OC故障信號消失后,故障清除信號置1,清除邏輯電路輸出鎖存信號;OC故障發(fā)生,邏輯電路輸出信號再次置位并鎖存;故障屏蔽信號使能,電流現(xiàn)有故障被屏蔽,輸出信號再次置低;故障屏蔽信號使能取消,邏輯電路輸出電平回復正常。故障鎖存保護電路功能測試波形如圖4。

圖4 故障鎖存保護電路功能測試波形

由圖4可以看出,故障鎖存保護電路實現(xiàn)了對過壓及過流故障的濾波,故障鎖存、清除及故障屏蔽的功能,實現(xiàn)保護動作的快速響應。

6 結(jié)束語

本文提出的適用于新能源汽車電驅(qū)逆變器中的故障鎖存保護電路方案,有效替代了使用可編程邏輯器件方案。利用分離邏輯器件設計的電路結(jié)構,實現(xiàn)了對過壓及過流故障的濾波,故障鎖存、清除及故障屏蔽的功能,能夠在微秒級別時間內(nèi),實現(xiàn)保護動作的快速響應,避免了傳統(tǒng)可編程邏輯芯片設計復雜、芯片成本和供應風險的問題。在實現(xiàn)故障鎖存和保護的功能同時,大幅降低了開發(fā)難度和開發(fā)成本。該設計滿足了新能源汽車對安全性和成本的雙重要求,具有一定的實際應用價值。下一步研究將從實際應用驗證、故障類型及性能優(yōu)化等方面展開,進一步提升系統(tǒng)的可靠性和實用性。