王亚飞，葛兴来

（西南交通大学电气工程学院，成都 610031）

引言

随着电力电子元器件及其控制技术的发展，电力电子装置系统的效率变得越来越高。但随之而来也产生很多问题，如结构复杂、功率器件繁多等，这些都是导致系统可靠性降低的因素。研究表明：逆变器的功率开关管是电力电子装置系统最薄弱环节之一[1]。由此可见，要保证系统正常运行，关键是要保证功率器件的正常。通常逆变器故障分为IGBT开路故障和IGBT短路故障。IGBT短路故障由于其存在时间很短，危害很大，在硬件电路上已有成熟的解决方案；而IGBT开路故障由于其不易及时被发现，很可能形成二次故障，造成更大的损失。

目前IGBT开路故障的研究已有很多，可从检测变量的角度分为两大类：（1）基于电流的诊断方法；（2）基于电压的诊断方法。文献[2]提出了基于傅里叶变换的归一化方法，即根据定子电流归一化后的基波分量大小定位开路故障的功率管，但仅限于单个功率管的诊断；文献[3]提出了通过比较逆变器各相电流正、负半波在正常和故障状态下对应的功率，进而达到故障诊断，但其不适用于空载情况；基于电流的诊断方法还有电流向量瞬时频率方法[4]、负载电流分析法[5]、直流侧电流频谱分析法[6]、Hilbert变换法[7]和人工智能系统[8-11]等。 文献[12]提出了基于电压解析模型的开路故障快速诊断法，即当逆变器功率器件发生开路故障时，逆变器相电压、电机线电压等与正常时相比均存在偏差，根据这些电压偏差就可诊断故障，但只应用于了开环控制下的单管故障；文献[13-15]提出了基于开关函数模型及运行模式分析的诊断法，根据正常和故障状态下功率开关管承受电压的不同，采用高速光耦等硬件电路进行单管和单桥臂的开路诊断。

通常基于电流的诊断方法受系统闭环控制的影响较大，当负载突增或突减时，易出现误诊断，而且诊断时间也至少需要一个基波周期。而基于电压的诊断方法可不受闭环控制策略及负载扰动的影响，且诊断时间较短[16]。

目前，既能够对各种单管和双管IGBT开路故障进行准确定位，又不受闭环控制和负载扰动影响的诊断方法很少。本文通过分析对比逆变器在正常与开路故障状态下的三相电压，提出一种以线电压为检测变量的简易实时诊断方法，利用实际的线电压和开关信号得到三相电压及残差，根据这些电压残差间的关系进行各种单管及双管开路故障识别，仿真结果表明，该方法不受负载突变及闭环控制的影响，能够实时在线进行故障诊断。

1 逆变器工作模式分析

逆变器常见主电路如图1所示，其拓扑结构包含6个IGBT开关管T1～T6，以及6个并联二极管D1～D6，直流侧母线电容电压 Udc。令 a、b、c 相桥臂的功率管开关信号分别为sa、sb、sc，并且同相桥臂的两个功率管的开关信号互补，即sa、sb、sc为1时桥臂上管开通，下管关断；sa、sb、sc为 0 时桥臂上管关断，下管开通。 a、b、c 三相的电压分别为 uan、ubn、ucn，线电压分别为 uab、ubc、uca，端电压分别为 uao、ubo、uco，其中o为母线端参考点，n为负载中性点。

图1 逆变器电路拓扑结构Fig.1 Inverter circuit topology structure

当逆变器正常工作时，三相电压可以表示为

由式（1）可知，当a相桥臂的功率管开关信号sa=1，即逆变器的工作模式为100、101、110和111时，a相电压uan≥0；而当a相桥臂的功率管开关信号sa=0，即逆变器的工作模式为000、001、010和011时，a相电压uan≤0。b、c相桥臂类似。因此，根据三相电压的正负可将一个基波周期内的三相电压波形分为6个区间，各区间内具体导通的功率管如表1所示。

表1 各区间内导通的功率管Tab.1 Each interval conduction of power tube

逆变器的三相电压波形如图2所示。

图2 逆变器的三相电压波形Fig.2 Three-phase voltage waveforms of inverter

2 逆变器开路故障诊断原理

2.1 单个功率管开路故障

逆变器主电路中有6个IGBT功率管，故共6种单个功率管开路故障。考虑到电路的对称性，下面只分析单个功率管T1开路故障情况。当T1开路故障时，逆变器a相桥臂的功率管开关信号sa不能为1，而b和c相桥臂的功率管开关信号sb和sc不受影响，则逆变器常见的4种工作模式（100、101、110和111）失效，a相桥臂端电压uao将存在电压偏差 Δuao，即

由式（2）可知，电压偏差Δuao为脉宽型PWM电压波形，为了便于后续的标幺化，此处不需要滤除开关纹波。由于端电压偏差Δuao存在的，在区间1～3内逆变器三相电压表现出故障特征，且三相电压为

由式（1）减去式（3），可得逆变器三相电压残差为

由式（4）的三相电压残差可以看出，当T1开路故障时，a相电压残差为正，而b、c相电压残差为负，并且a相电压残差绝对值等于b、c相电压残差绝对值之和，即三相电压残差间的关系为

同理，其他功率管开路故障时，也有类似的结论。则单个功率管开路时三相电压残差间的关系如表2所示。

表2 单个功率管开路时三相电压残差间的关系Tab.2 Relationship between three phase voltage residuals with single power tube open circuit

2.2 2个功率管同时开路故障

逆变器有2个功率管同时开路故障的情况可以分为三类：单相桥臂的2个功率管开路故障，如T1和T2；相邻相桥臂异侧的2个功率管开路故障，如T1和T4；相邻相桥臂同侧的2个功率管开路故障，如T1和T3。

（1）同相桥臂的两个功率管开路故障。以a相桥臂的T1和T2为例，在正常状态下，T1和T2交替导通。T1和T2同时开路故障后，在区间1～3内，三相电压表现出T1开路故障特征，而在区间4～6内，表现出T2开路故障特征。

（2）相邻相桥臂异侧的2个功率管开路故障。以a、b相桥臂的T1和T4为例，T1和T4同时开路故障后，在区间3内仅表现出T1开路故障特征，在区间6内仅表现出T4开路故障特征，在区间1和2内同时表现T1和T4开路故障，其他区间正常。

（3）相邻相桥臂同侧的2个功率管开路故障。以a、b相桥臂的T1和T3为例，T1和T3同时开路故障后，在区间1和2内仅表现出T1开路故障特征，在区间4和5内仅表现出T2开路故障特征，在区间3内同时表现T1和T3开路故障，其他区间正常。

综上分析，当单个功率管开路故障时，可依据表2 中三相电压残差间的关系进行故障识别。当2个功率管开路故障时，由于在同时表现2个功率管开路故障的区间内，三相电压残差并未有类似如式（5）的关系，因此需要在不同的区间内，结合表2逐个识别出故障的功率管。

本文以逆变器的uab和ubc作为实测线电压，首先，利用开关信号sa、sb、sc获取对应的参考线电压，即

3 逆变器开路故障诊断方法

逆变器广泛应用于新能源发电、电机变频调速等领域，但是在由逆变器供电的负载中，有些负载的中性点实际上并不存在，如常用的鼠笼型异步电机等，故不能直接测量其三相电压。为了使诊断方法更加通用，可以通过测量线电压来间接获取三相电压，所利用的关系为

然后，以Udc为基准值对实测线电压和参考线电压进行标幺化，再通过截止频率为100 Hz的低通滤波器以及式（6），消除谐波噪声，并得到正弦化的三相电压。最后，将三相电压比较获取三相电压残差，并利用残差阈值kf和表2中三相电压残差间的关系进行故障识别。具体的开路故障诊断原理框图如图3所示。

图3 开路故障诊断原理框图Fig.3 Block program of open-circuit fault diagnosis principle

在图3中，残差阈值kf是用来判断开路故障是否发生，其取值与三相电压残差有关。一方面，在正常条件下，三相电压残差均趋近于零；另一方面，在各单管开路故障后的一个基波周期内，三相电压残差中的最大绝对值可分别设为 KT1、KT2、KT3、KT4、KT5、KT6，并且它们均为未知常量，需要通过仿真实验获取。为了避免出现漏诊断，kf的取值范围为

此外，考虑到故障时三相电压波形畸变以及噪声等影响，阈值kf的选定还需要一定的安全裕量。

4 仿真结果分析

在Matlab/Simulink中，搭建闭环矢量控制下的仿真模型，逆变器所带负载为鼠笼型异步电机，具体仿真参数如表3所示。在进行各种类型的开路故障仿真时，开路故障均是通过移除相应驱动信号来实现，而反并联续流二极管完好。通过对各单管开路故障的仿真测试，这里设定残差阈值kf=0.2。

表3 仿真模型参数Tab.3 Parameters of simulation model

4.1 正常状态

逆变器在正常条件下，负载突变时的电压电流波形如图4所示。在t=1 s时刻，负载突然由空载增大至额定负载；在t=1.1 s时刻，负载突然由额定负载减至空载。负载突变过程中，三相电压残差基本保持不变，且明显低于阈值kf，不会出现误诊断。故诊断方法不受负载突变及闭环控制的影响。

图4 负载突变时的电压电流波形Fig.4 Waveforms of voltages and curents when load mutation

4.2 单个功率管开路故障

图5 是T1开路故障时的电压波形。在t=1.2 s时刻，T1发生开路故障，可以看出，实际的三相电压波形出现一定的畸变，但不影响区间的判断。故障发生时刻，三相电压波形处于区间1内，T1开路故障立即表现，a相电压残差正向迅速增大，b、c相电压残差负向增大且基本相等，即三相电压残差满足表2中T1开路故障特征。当a相电压残差绝对值超过kf=0.2时，T1开路故障被检测出来，诊断出T1开路故障所需时间不超过1/6基波周期。

图5 T1开路故障时的电压波形Fig.5 Voltages waveforms when T1open circuit fault

4.3 单相桥臂的两个功率管同时开路故障

图6 是T1和T2同时开路故障的电压波形。在t=1.2 s时刻，T1和T2同时开路故障，此时，三相电压波形处于区间1内，T1开路故障首先表现，a相电压残差正向迅速增大，b、c相电压残差负向增大且基本相等，即三相电压残差满足表2中T1开路故障特征。当a相电压残差绝对值超过kf=0.2时，T1开路故障先被检测出来。三相电压波形处于区间4内，T2开路故障才开始表现，a相电压残差负向迅速增大，b、c相电压残差正向增大且基本相等，即三相电压残差满足表2中T2开路故障特征。当a相电压残差绝对值超过kf=0.2时，T2开路故障也被检测出来。诊断出T1和T2开路故障所需时间约1/2个基波周期。

图6 T1和T2同时开路故障的电压波形Fig.6 Voltage waveforms when T1and T2 open circuit fault simultareously

4.4 相邻相桥臂的两个功率管同时开路故障

图7 是T1和T4同时开路故障的电压波形。在t=1.2 s时刻，T1和T4同时开路故障，此时，三相电压波形处于区间1内，T1和T4的开路故障同时表现，虽然a、b相电压残差绝对值均迅速超过kf=0.2，但是三相电压残差并未有类似如式（5）的关系，故不能检测出故障的功率管。三相电压波形处于区间3内，仅T1开路故障表现，此时a相电压残差为正，b、c相电压残差均为负且基本相等，即三相电压残差满足表2中T1开路故障特征，当a相电压残差绝对值超过kf=0.2时，T1开路故障先被检测出来。三相电压波形处于区间6内，仅T4开路故障表现，此时b相电压残差负向迅速增大，a、c相电压残差正向增大且基本相等，即三相电压残差满足表2中T4开路故障特征，当b相电压残差绝对值超过kf=0.2时，T4开路故障也被检测出来。诊断出T1和T4开路故障所需时间约5/6个基波周期。

图7 T1和T4同时开路故障的电压波形Fig.7 Voltage waveforms when T1and T4 open circuit fault simultaneously

同样，其他单管或双管开路故障也进行仿真分析，并与理论分析一致，且诊断时间均不超过1个基波周期。

5 结论

针对逆变器主电路IGBT的开路故障，本文通过分析比较正常和故障状态下的三相电压，提出了基于三相电压残差的快速简易故障诊断方法，仿真结果表明，该方法是切实可行的，并具有以下优点：

（1）以线电压为检测变量，适用不同的负载类型，且不因负载的突变而影响诊断的可靠性；

（2）不仅可以诊断单管和单相桥臂的开路故障，也可以诊断相邻相桥臂的双管开路故障；

（3）诊断速度快，诊断所需时间均不超过1个基波周期；

（4）诊断原理简单，具有较小的计算负担，易于进行实时在线故障诊断。

[1]Yang S Y,Bryant A,Mawby P,et al.An industry-based survey of reliability in power electronic converters[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2011,47（3）：1441-1451.

[2]于泳,蒋生成,杨荣峰,等.变频器IGBT开路故障诊断方法[J].中国电机工程学报,2011,31（9）：30-35.Yu Yong,Jiang Shengcheng,Yang Rongfeng,et al.IGBT open circuit fault diagnosis method for inverter[J].Proceedings of the CSEE,2011,31（9）：30-35（in Chinese）.

[3]赏吴俊,何正友,胡海涛,等.基于IGBT输出功率的逆变器开路故障诊断方法[J].电网技术,2013,37（4）：1140-1145.Shang Wujun,He Zhengyou,Hu Haitao.An IGBT output power-based diagnosis of open-circuit fault in inverter[J].Power System Technology,2013,37（4）：1140-1145（in Chinese）.

[4]Peuget R,Courtine S,Rognon J P.Fault detection and isolation on a pwm inverter by knowledge-based model[J].IEEE Transactions on Industry Applications,1998,34（6）：1318-1326.

[5]Sleszynski W,Nieznanski J,Cichowski A.Open-transistor fault diagnostics in voltage-source inverters by analyzing the load currents[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2009,56（11）：4681-4688.

[6]杨忠林,吴正国,李辉.基于直流侧电流检测的逆变器开路故障诊断方法[J].中国电机工程学报,2008,28（27）：18-22.Yang Zhonglin,Wu Zhengguo,Li Hui.The open-circuit fault diagnosis method based on the dc sids current inverter[J].Proceedings of the CSEE,2008,28（27）：18-22（in Chinese）.

[7]陈栋,刘振兴,张晓菲.SVPWM整流器IGBT模块的故障诊断技术研究[J].华北电力大学学报,2012,39（4）：72-76.Chen Dong,Liu Zhenxing,Zhang Xiao fei.Fault diagnosis of IGBT modules for SVPWM rcctifier[J].Journal of North China Electric Power University,2012,39（4）：72-76（in Chinese）.

[8]梅樱,孙大南,韦中利.一种基于矢量控制的变流器故障诊断方法[J].电工技术学报,2010,25（3）：177-182.Mei Ying,Sun Danan,Wei Zhongli.An inverter fault diagnosis method based on vector contro[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2010,25（3）：177-182（in Chinese）.

[9]Awadallah M A,Morcos M M.Automatic diagnosis and location of open-switch fault in brushless DC motor drives using wavelets and neuro-fuzzy systems[J].IEEE Transactions on Energy Conversion,2006,21（1）：104-111.

[10]Zidani F,Diallo D,Benbouzid M E H,et al.A fuzzy-based approach for the diagnosis of fault modes in a voltage-fed PWM inverter induction motor drive[J].IEEE Transactions on Industrial Electronics,2008,55（2）：586-593.

[11]孙丹,孟濬,管宇凡.基于相空间重构和模糊聚类的永磁同步电机直接转矩控制系统逆变器故障诊断[J].中国电机工程学报,2007,27（6）：49-53.Sun Dan,Meng Jun,Guan Yufan.Inverter faults diagnosis in PMSM DTC drive using reconstructive phase space and fuzzy clustering[J].Proceedings of the CSEE,2007,27（6）：49-53（in Chinese）.

[12]Ribeiro R L A,Jacobina C B,Silva E R C,et al.Fault detection of open-switch damage in voltage fed pwm motor drive systems[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2003,18（2）：587-593.

[13]An Q T,Sun L Z,Zhao K,et al.Switching function model-based fast-diagnostic method of open-switch faults in inverters without sensors[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2011,26（1）：119-126.

[14]安群涛,孙力,赵克.基于开关函数模型的逆变器开路故障诊断方法[J].中国电机工程学报,2010,30（6）：1-6.An Quntao,Sun Li,Zhao Ke.Based on the switching function model of inverter open-fault diagnosis method[J].Proceedings of the CSEE,2010,30（16）：1-6（in Chinese）.

[15]姜保军,安群涛.基于运行模式分析的逆变器功率管开路故障诊断方法[J].中国电机工程学报,2012,32（24）：30-37.Jiang Baojun,An Quntao.A novel diagnostic technique for open-circuit fault of inverters based on operating mode analysis[J].Proceedings of the CSEE,2012,32（24）：30-37（in Chinese）.

[16]安群涛,孙力,孙立志,等.三相逆变器开关管故障诊断方法研究进展[J].电工技术学报,2011,26（4）：135-144.An Quntao,Sun Li,Sun Lizhi,et al.Recent developments of fault diagnosis methods for switch in three-phase inverters[J].Transactions of China Electrotechnical Society,2011,26（4）：135-144（in Chinese）.