电力电子电路故障特征提取技术研究

    故障预测及健康管理技术(PHM)对于保障系统的可靠性及可维护性具有重要作用。随着电力电子装置在各领域的应用愈加广泛,应用环境愈加苛刻,急需研究电力电子装置的PHM技术。PHM技术主要包含故障诊断、状态监测、故障预测三种方法,而故障特征提取技术是这三种方法的必要基础。本文以电力电子装置中故障率较高的主电路器件——功率开关管与电解电容为主要研究对象,重点对其衰退参数以及故障特征参数的提取方法展开研究。论文首先介绍了电力电子主功率器件的故障特征参数及现有的故障特征参数提取方法。分别介绍了功率开关管、电解电容的故障特征参数,对故障参数提取方法的研究现状进行了系统的分类,并指出了故障特征提取技术的研究重点。论文进行了老化实验研究。针对开关管,分别设计了温度循环实验、功率循环实验、门极衰退实验;针对电解电容,分别设计了存储实验、直流(DC)老化实验、交流(AC)老化实验。老化实验中,分别测试了选定参数随老化进程的变化情况,其中开关管选定的测试参数有:阈值电压、导通压降、体二极管压降、漏电流;电解电容选定的测试参数有:电容值、损耗角正切值(tanδ)、漏电流。分别给出了不同老化实验下各参数的变化情况,分析并确定导通电阻(压降)、振铃频率、阈值电压为开关管的故障特征参数,等效串联电阻值(ESR)为电解电容的最佳故障特征参数,为后文的故障特征选取奠定基础。论文研究了功率开关管的故障特征参数提取方法。针对导通电阻(压降),提出了一种基于电压源以及齐纳二极管的电压钳位电路,解决了原有钳位电路中存在的电压尖峰及RC延时的问题,实现了功率开关管导通压降的在线测量。针对振铃频率,首先提出了一种基于杂散电感电压的振铃频率提取技术,实现了开关振铃频率的在线提取;为了同时获取输入电压以排除其对振铃频率的影响,又提出了一种基于经验模态分解(EMD)和快速傅里叶分解(FFT)相结合的振铃频率提取技术。针对阈值电压,利用电力电子电路线路中的杂散电感,提出了一种阈值电压实时监测的方法,解决了阈值电压监测中电流传感器量程与精度难以兼顾的问题。结合Buck电路的仿真与实验,验证了上述方法的有效性。论文研究了电解电容故障特征提取技术。分析了Buck及Boost电路输出电容电压及电流纹波特征,得出其存在的内在关系。针对Buck电路,利用电容纹波电压与纹波电流的正交性,提出了一种tanδ与ESR提取方法。针对Boost电路,利用其输出电压存在突变而电容电压无法突变的特征,提出了一种ESR提取方法。以上方法不仅适用于电流连续模式(CCM)与电流断续模式(DCM)下的阻性负载情况,而且适用于变换器负载的情况。结合系统仿真及实验验证了理论分析的正确性,并证实了上述特征参数提取方法的有效性。论文研究了基于混杂系统理论的功率变换器参数辨识方法。介绍了基于混杂系统参数辨识的基本原理,给出了Buck与Boost电路的基本混杂模型,通过分析发现并指出了原基本模型中存在的缺陷。针对Buck电路,提出了一种基于局部线性模型的参数辨识方法,解决了非理想因素影响辨识精度的问题。针对Boost电路,在基本混杂模型的基础上引入了考虑开关瞬态二极管电流突变的修正量,解决了原基本模型无法正确辨识的问题。通过仿真研究,对各种条件下的模型辨识结果进行了对比,验证了理论分析以及优化方法的有效性。最后,通过系统实验验证了所提方法的有效性。本文工作为电力电子变换器中功率器件的健康管理提供了理论及技术基础,对于推动电力电子系统的PHM技术的应用具有一定的参考价值。 

 

【学位级别】：博士

 

【页数】：147

 

文章目录

摘要

ABSTRACT

注释表

    1 缩略词

    2 基本符号

第一章 绪论

    1.1 故障预测与健康管理概述

        1.1.1 故障预测与健康管理技术简介

        1.1.2 PHM演变

        1.1.3 PHM应用

        1.1.4 PHM方法

    1.2 电力电子系统PHM技术

    1.3 功率开关管故障特征提取技术研究现状

        1.3.1 功率开关管失效机理及衰退特征

        1.3.2 功率开关管特征参数提取

    1.4 电解电容故障特征提取技术研究现状

        1.4.1 电解电容失效机理及衰退特征

        1.4.2 电解电容故障特征参数提取研究现状

    1.5 本文的研究内容及意义

        1.5.1 本文的主要研究内容

        1.5.2 本文的主要研究意义

第二章 功率变换器主要功率器件的故障特征参数研究

    2.1 引言

    2.2 开关管故障特征参数研究

        2.2.1 老化实验

        2.2.2 衰退特征参数分析及选取

    2.3 电解电容故障特征参数研究

        2.3.1 老化实验

        2.3.2 衰退特征参数分析及选取

    2.4 本章小结

第三章 功率开关管故障特征提取技术研究

    3.1 引言

    3.2 导通压降提取方法研究

        3.2.1 电压钳位电路概述

        3.2.2 原有电压钳位电路分析及改进

        3.2.3 一种新的电压钳位电路

        3.2.4 仿真及实验验证

    3.3 振铃频率提取方法研究

        3.3.1 开关振铃分析

        3.3.2 基于杂散电感电压的振铃频率提取方法

        3.3.3 基于节点电压的振铃频率提取方法

        3.3.4 仿真及实验验证

    3.4 阈值电压提取方法研究

        3.4.1 功率MOSFET阈值电压在线提取方法

        3.4.2 功率MOSFET门极电压变化特征分析

        3.4.3 基于拐点电压的功率MOSFET阈值电压在线监测方法

    3.5 本章小结

第四章 电解电容故障特征提取技术研究

    4.1 引言

    4.2 电解电容的纹波特征及ESR提取方法分析

        4.2.1 概述

        4.2.2 Buck电路纹波特征及ESR提取方法分析

        4.2.3 Boost电路纹波特征及ESR提取方法分析

    4.3 电解电容故障特征提取方法研究

        4.3.1 Buck电路电解电容故障特征提取方法

        4.3.2 Boost电路电解电容故障特征提取方法

    4.4 仿真分析

        4.4.1 Buck电路

        4.4.2 Boost电路

    4.5 实验结果

        4.5.1 Buck电路

        4.5.2 Boost电路

    4.6 本章小结

第五章 基于混杂系统理论的功率变换器参数辨识方法

    5.1 引言

    5.2 基于混杂系统理论的Buck变换器参数辨识

        5.2.1 Buck变换器传统混杂模型

        5.2.2 基于混杂模型的参数辨识

        5.2.3 参数辨识优化

        5.2.4 仿真研究

        5.2.5 实验验证

    5.3 基于混杂系统理论的Boost变换器参数辨识

        5.3.1 Boost变换器传统混杂模型

        5.3.2 基于混杂模型的参数辨识

        5.3.3 参数辨识优化

        5.3.4 仿真研究

        5.3.5 实验验证

    5.4 本章小结

第六章 总结与展望

    6.1 本文的主要工作与创新点

    6.2 进一步的工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及