电气自动化专业 大功率电能变换装置的故障诊断方法研究

1、摘要：电能变换技术是一种将电能进行变换和控制电能的技术,它利用了电力半导体器件来进行能量变换、电力控制和电能传输，被广泛应用于电力系统、工业生产、交通运输和家用电器之中。从上个世纪70年代以来，电能变换技术有突飞猛进的发展,随着科技的不断进步,越来越多新能跟高的电力半导体器件被开发,人们也研究出了更多性能更优良的电能变换装置。它不单单促进了电能变换技术的发展,还可以促进电气系统工程，电力系统保护继电器技术，半导体材料技术，电源技术，自动控制技术，信息传输和处理技术的不断改进。总之,电能变换技术作为新能源开发、电子装置电源的基础技术,已逐步发展成了一门多学科科的综合技术，具有有广阔应用前景。由此

2、可见，研究大功率电能变换装置的故障诊断有着重要意义。状态监测与精确故障诊断是降低大功率电能变换装置的故障概率和其维修成本的有效方法。首先，在分析国内外的各种故障统计情况的基础上，找出故障诊断需要优先关注的关键部件（IGBT、电解电容器）；其次，整理大功率电能变换装置故障诊断的研究现状；然后，重点研究和分析大功率电能变换装置关键部件（IGBT、电解电容器）的故障失效机理与故障诊断方法；最后，提出大功率电能变换装置状态监测与故障诊断的研究重点以及日后的研究趋势。关键词：电能变换、故障诊断、评估Abstract：Electric energy conversion technology is a t

3、echnology that converts and controls electric energy. It uses power semiconductor devices for energy conversion, power control and power transmission. It is widely used in power system, industrial production, transportation and household appliances. Since the 1970s, power conversion technology has d

4、eveloped rapidly. With the continuous progress of science and technology, more and more new power semiconductor devices with high performance have been developed, and more power conversion devices with better performance have been developed. It not only promotes the development of power conversion t

5、echnology, but also promotes the continuous improvement of electrical system engineering, power system protection relay technology, semiconductor material technology, power supply technology, automatic control technology, information transmission and processing technology. In short, as the basic tec

6、hnology of new energy development and power supply for electronic devices, power conversion technology has gradually developed into a comprehensive technology of multidisciplinary disciplines, and has broad application prospects. Therefore, it is of great significance to study the fault diagnosis of

7、 high-power power converter. State monitoring and accurate fault diagnosis are effective methods to reduce the failure probability and maintenance cost of high-power electric energy conversion devices. Firstly, based on the analysis of various kinds of fault statistics at home and abroad, the key co

8、mponents (IGBT, electrolytic capacitor) which need priority attention in fault diagnosis are found out. Secondly, the research status of fault diagnosis for high-power power power converter is sorted out. Secondly, the failure mechanism and reasons of key components (IGBT, electrolytic capacitor) of

9、 high-power converter are studied and analyzed emphatically. Finally, the research emphasis of condition monitoring and fault diagnosis of high-power power converter and the future research trend are put forward.Key Words：Transformation of electrical energy、Fault diagnosis、Assessment第1章 绪论1.1课题背景及意义

10、自从1891年尼古拉 特斯拉发明了交流电以来,交流电因为便于生产和利用运输等优点,被人们广泛进行利用。而大部分家用负载都使用的是直流电，在面对不同直流负载及交流传送,电能需要在直流和交流之间变换。随着越来越多非线性负载的使用,电能质量变得越来越差;而且随着各种用电设备或单元的数字化、信息化和多样化的发展,需要的供电种类、等级和质量要求不断提高。因此,我们更需要提高电能变换的质量。现代工业、交通运输、前沿科学的发展以及人类生产能力和生活环境的改善,都依赖于依赖于高质量的电能。跟据统计。电能中的70%会经过电能变换后才被进行使用,而随着科技的发展,电能变换的比值将会越来越高。电力电子技术为电力工业

11、的发展和电力应用的改善提供了技术支持,电力电子技术主要研究的是电能形式的变换和控制,并通过电能变换装置实现实际应用。在电能变换装置的发展初期,把交流电变换为直流电经历了电子管、水印整流器、闸流管整流器的发展。1957年,美国通用电气公司（General Electric Company）研发了硅可控整流器(Silicon Controlled Rectifier,SCR),简称可控硅,之后被国际电工学会正式将其为命名晶闸管(thyristor)。晶闸管的问世,不仅可把交流电变为直流电，还能把直流电变为交流电和其他特殊的电能形式。从那时起，新电力电子器件的性能不断进行提高，并且每个都有自己的电气

12、特性和使用特性，用来适应不同的应用领域和电能变换装置的设计要求。把各种电力电子器件实用、可靠、高效地应用于电能变换系统,是电能变换应用技术的研究任务。电能变换装置是以满足用电要求为目标,以电力半导体器件为核心,通过合理的电路拓扑和控制方式,使用相应的应用技术实现电能的转换和控制。电能变换装置及其控制系统由半导体电力开关、控制系统和负载组成,它是通过弱电控制强电实现其功能的，向控制系统发出指令，控制系统对半导体电力开关发送控制信号，负载对控制系统进行输出反馈，半导体电力开关对控制系统反馈信息监测。该控制系统基于所述运行命令和输入/输出的各种状态，以驱动相应的开关设备来执行其特定功能的控制信号。控

13、制系统通常采用模拟电路或者数字电路来实现,具有各种特定功能的集成电路和数字信号处理器DSP等器件的出现,为简化和完善控制系统提供了方便。由于实际的需求不同,所以在电器元件、电路拓扑结构和控制方法上,应采用不同的有策略的方案,这就要求设计人员灵活运用专业基础知识，如控制理论、电子技术、计算机技术、电力电子技术等,将其恰当的结合起来进行综合设计。 随着新型电力电子器件不断的出现,电能变换技术的发展注入了很大活力,这些高性能元件都为电能变换装置小型化、可靠性、智能化做出了技术支持。尤其是近几十年来各种晶闸管（GTO）、晶体管(BJT、IGBT)的发明，脉宽调制技术(PWM)控制方法的实现、新型开关拓

14、扑结构的发明,都大力促进了新型电能变换装置的发展,其应用范围从传统工业，交通，电力系统，信息和通信，家电，自动化生产等领域，涉及国民经济的几乎所有部门。所以，为了保障电力系统正常运行,大功率电能变换装置的故障诊断尤为重要，在电能变换装置中IGBT和电解电容器是两个重要而且容易发生故障的元件。IGBT作为新型复合全控器件，他综合了MOSFET和BJF，开关速度快、承载电流大、承受电压高，在电能变换装置起着重要作用。电解电容器则是电路中最基础的元件之一，在各种电气回路中都不可缺少。1.2本文主要研究内容根据实际使用要求，用户有的需要直流有的需要交流，有的需要低频有的需要高频。因此需要对电能进行变换

15、，达到电能的相关标准后，在供给用户使用，所以大功率电能变换装置是生产生活的关键。此类装置的特点是处理功率的随机波动性，非线性很强，加上工作环境的复杂性，使得大功率电能变换装置中功率模块受到不平衡的电热应力，这容易引起老化失效等可靠性问题。降低转换器的可靠性和设备的使用寿命。因此，可靠性问题是大功率电能变换装置在实际应用中需要注意的重要问题。 大功率电能变换装置可靠性研究主要包括两个方面：可靠性评估和状态控制。可靠性评估是指分析，预测和识别组件或系统在给定时间间隔内和特定条件下持续实现其功能的能力的一系列工作，包括转换器状态监测，故障诊断，寿命预测等。研究内容。在可靠性研究中，平均故障间隔时间通

16、常用于测量设备可靠性。平均故障间隔时间是指从设备运行到故障的平均时间，反映了产品的时间质量以及在指定时间内维持产品功能的能力。状态监测是指检查和评估运行中的电力电子设备的技术状态，以确定其运行是否正常，是否存在异常和恶化迹象，或跟踪异常情况，预测恶化趋势，以及确定是否有必要采取相应措施的活动。状态监测的目的是防止故障，减少停机时间，降低维护成本并提高设备利用率。状态监测是设备可靠性评估，故障诊断和寿命预测的基础。IGBT因工作长期工作在大电流和大电压的环境之下，容易因大电流和高电压导致桥臂直通短路和负载侧短路短路。如果无法及时对IGBT的故障进行诊断，对大功率电能变换装置的正常工作影响重大。根

17、据数据表明，电解电容器的故障率大约为60%，故障率相当高，需要重点对其进行故障检测。第2章 系统结构与故障特征量分析2.1主要电能变换装置系统2.1.1AC-DC电能变换系统AC-DC转换器也被称为整流器。可控整流电路通常由交流电源(或整流变压器二次侧)、整流主电路滤波电抗器、负载及控制电路等基本环节组成。其最基本的工作原理是:整流电路从工频电网吸收电能,通过整流电路转换成直流电能输送到负载,为了限制输出电流的脉动,保证输出电流的连续,改善整流装置供电的负载特性,在装置的输出电路中接人与负载串联的滤波电抗器,控制电路实现整流输出电压按指令值调节,以满足负载的需求。在实际应用中,对一个可控的整流

18、装置的基本技术要求为直流输出电压可以在很宽的范围内调整,电压的谐波含量被控制在规定范围内,负载电流波动小,并且整流器具有很强的负载承载能力。在交流电源侧的功率因数高，而在当前的谐波电流可以在允许范围内进行控制。充分和合理利用的额定电压和电流分量的最大化整流元件的导通时间。防止变压器直流磁化，提高变压器的工作效率。三相半波可控电路2.1.2DC-AC电能变换系统 DC-AC转换器也被称为逆变器。它的作用是将直流电变换为交流电。根据输出电压和频率的变化，可分为两种类型：恒压恒频（CVF）和变压变频（VF）,恒压恒频逆变器用作稳压电源,变压变频逆变器用于交流电机变频调速系统。逆变器产品主要基于SPW

19、M（正弦脉冲宽度调制Sinusoidal Pulse- Width Modulation）控制方法。目前的研究重点是输出控制技术、软开关技术和并联控制技术。逆变技术除了电能转换的基本任务之外，变频技术还具有节能低耗的显着的优点，因而在当今世界能源紧缺的情况下，逆变技术有着深远而显著意义和广阔的发展前景。三相电压型桥式逆变电路2.1.3AC-AC电能变换系统AC-AC变换器的作用是将一种规格的交流电变换为另一种规格的交流电，对电压、电流和频率等进行改变。不对频率进行改变的称为交流电力控制电路,输入和输出频率不同的称为变频电路。AC-AC变换器主要使用晶闸管进行控制,主要用于亮度调节、温度调节及低

20、速大容量交流电机调速系统。对于中、小容量电机的驱动变频器主要应用全控器件,采用交一直一交的接转换方式。近年来提出了基于PWM理论的矩阵变频方法，这种方法频率不受电网影响，功率因数为1，效率十分可观。 常用的交一直一交PWM变频器主电路结构如图所示,左侧是不可控整流桥，将三相交流电整流成电压恒定的直流电压，右侧为逆变器，它将直流电压变换为频率与电压都可调的交流电；中间的滤波环节的目的是为了减小直流电压波动。这种交一直一交PWM变频器主回路只有一套可控功率级,其优点是结构简单，控制方便,采用脉宽调制的方法,输出谐波分量小,其缺点是当电机处于回馈制动状态时无法将能量进行回馈。目前,出现了高性能的变频

21、器,他的整流部分使用了全控型器件,就解决了电机制动时不能将能量回馈电网的问题,并能提高功率因数。交一直一交PWM变频器电路2.1.4DC-DC电能变换系统DC-DC变换器的作用是将一种规格的直流电变换为另一种规格的直流电。采用PWM控制的DC-DC交换器被称为直流斩波器,主要用于直流电机驱动器和开关电源。在最近几年开发的软开关DC-DC变换器已经显著降低开关损耗和功率器件的电磁干扰,大大增加了开关电源效率,有利于变换器向高效，小尺寸和低噪声的方向发展。 降压斩波电路又叫Buck变换器，电路原理图所示,Buck变换器的工作原理为:当有源开关v导通时,无源开关VD因反偏而截止,此时输入给输出滤波电

22、感储能(或励磁),向负载提供能量;当有源开关V截止后,由于电感电流无法突变,故使无源开关VD正偏而导通,此时电感电流经二极管续流,其储存的能量供向负载,并由输出电压对其进行去磁。输出滤波电容主要用来限制输出电压上的开关频率纹波分量,使之远小于稳态的直流输出电压。Buck变换器电路 升压斩波电路又叫Boost变换器，电路原理如图所示,Boost变换器的工作原理为:当有源开关V导通时,无源开关VD因反偏而截止,此时输入给滤波电感储能(或励磁),负载能量由输出滤波电容提供;当有源开关V截止时,由于电感电流无法突变,故使无源开关VD正偏而导通,此时电感电流经二极管续流,其储存的能量除了向负载供电外,还

23、补充输出滤波电容在前一间隔中损失的能量,并由输出电压和输入电压的差对电感进行去磁。Boost变换器电路2.2主要部件故障原因2.2.1大功率IGBT的故障绝缘栅极双极性晶体管-IGBT主要应用在大功率电能量变换装置中，因为它通态压降小、可承受电压大、载流能力强等特点，成为了实际应用的主导器件。IGBT模块如果没有能及时在短路故障后进行保护工作，该设备可能会被损坏，甚至造成经济损失和安全事故。在大功率电能量转换装置中，IGBT 经常在高电压、大电流的条件下工作。桥臂直通短路被称作硬短路，负载侧短路被称作软短路，这两种短路和超过规定的集电极电流所引发的擎住效应是导致IGBT 故障的主要原因。如果不

24、能及时检测故障并进行故障保护，就会导致IGBT的永久性损坏，这很大程度上降低了系统可靠性，特别是对于故障影响严重、维修成本高的大功率电能变换装置。 美国电源集成公司POWI（瑞士Concept公司）的1SD536F2型IGBT门极驱动器使用退饱和检测电路可进行对IGBT的短路保护，但检测电路的保护是在IGBT导通8.5s后再进行退饱和检测，在IGBT 退饱和电压大于50 V 时才能检测出故障。对于IGBT的软短路故障，此时IGBT导通压降在集电极电流非常大时仍处于较低的水平，这种情况 Concept驱动器就不能检测出故障，而 IGBT在此种条件下运行将容易出行故障；对于桥臂直通硬短路故障，IG

25、BT在导通后约23s就可能进行退饱和，这种情况如果仍在8.5s后才开始检测，期间的高电压对IGBT的损耗将非常大，就算成功检测成功完成了安全关闭， IGBT 的工作性能的寿命也将大打折扣。Concept驱动器的1SD312F2-CM90HB-90H使用阻容分压电路来进行短路故障的检测，如果检测出电压值超过680 V，就算作驱动器检测出短路故障，驱动器将立刻反应对IGBT进行关断。从 Concept 驱动器说明书中对短路故障检测及保护响应时间的说明可以看出其响应时间高于使用常规退饱和检测1SD536F2系列驱动器。由于这种阻容分压网络检测电路的理论基础依据仍然是短路故障下IGBT退饱和相关理论，

26、二者都同样难以实现软短路故障检测及保护。 IPS-INPOWER公司生产的IGBT门极驱动器通过检测大功率 IGBT 集电极电流变化率（）实现对大功率IGBT 硬短路故障的故障保护，通过多级退饱和检测实现对大功率IGBT的短路保护。IPS公司型号为1IPSE1S45-100的数字驱动器用于三菱IGBT模块CM900HB的硬短路故障检测时，驱动器在IGBT短路发生2.16s左右就能检测出故障，加快了短路故障检测的速度，但故障检测方法主要适用于小电感短路故障，在面对大电感短路时也存在检测盲区，其多级退饱和检测也不容易实现IGBT软短路故障的快速识别，所以这种短路保护方法不完善。 综上所述，IGBT

27、故障检测的保护方法仍有待进一步完善，Concept等电气公司对于IGBT 软短路等故障实际上并不能真正实现快速保护，硬短路故障也存在有盲区。对于IGBT短路故障，一般IGBT的功率模块可以承受10s时间的短路，因此如果能在10s内快速检测出故障并采取对相应的保护措施就可避免故障发生或扩大故障范围，来降低经济损失或人员伤亡。因此，IGBT短路故障的有效检测识别对大功率电能量转换装置的保护和安全运行都至关重要。由于主要执行IGBT短路测试，因此这里有必要简要描述一下IGBT短路故障的类型和测试方法。IGBT 短路故障主要可分为硬短路、软短路和软硬混合短路故障三种情况。其中桥臂内发生短路为硬短路，短

28、路回路电感很小；桥臂间短路、相间短路或相对地短路为软短路，短路回路中的电感量稍大一点；发生硬短路期间再发生软短路故障就是软硬混合短路故障。IGBT发生三种短路故障的共有特点是IGBT会出现退饱和现象，就是在IGBT导通时，集电极电压会快速上升到直流母线电压一致，而IGBT过电流则不会。IGBT 短路测试电路IGBT 短路测试电路如图所示，交流220V电压同过断路器、自耦调压器、升压变压器、整流器，对短路测试平台支撑的电容器进行充电，充电完成后，断开断路器，开始进行测试。IGBT的硬短路测试，使用单相半桥电路进行测试，把粗短铜模短和管集电极-发射极进行连接，保证IGBT处于关断状态，给下管 IG

29、BT 发送脉冲进行测试。这种类型的短路标志是在IGBT导通之后，IGBT集电极电压不会下降到饱和导通电压降范围，并且IGBT直接进入去饱和阶段。对于软短路试验，基于上述试验方法，将粗短铜模调整到一定长度的焊丝进行试验。这种类型的短路标志是在IGBT导通之后，IGBT集电极电压将下降到约2-4V的饱和导通电压降值，然后将发生去饱和。软硬混合短路故障是这两种短路故障的组合。（1）“软短路”故障状态的识别和检测方法“软短路”故障一般会发生在IGBT处于导通状态的情况下，当“软短路”故障发生时，短路回路的范围很大，感抗较大，短路电流上升过程比较缓慢。在短路故障过程中，集电极电流会进行上升，上升速度由母

30、线电压和短路阻抗大小来决定。当电流上升到由IGBT跨导和门极电压共同决定的水平后，IGBT就会发生退饱和，集电极电压会上升。于此同时，会产生位移电流，也会开始上升，的上升又导致集电极电流上升，最后集电极会有很大的电流通过，集电极遭受大电流可能会导致IGBT出现擎住效应和暂时性失效。由上述分析可知，如果没有关断信号，IGBT就退出饱和区，就会上升并超过安全限制电压，这种情况可以认为是“软短路”故障的标志。在软短路故障发生时，集电极电压和集电极电流的关系会遵循IGBT的输出特性曲线，我们可以依据IGBT承受短路电流的能力来设计安全限制电压。因此，检测集电极的电压是软短路故障的检测要点。（2） “硬

31、短路”故障状态的识别和检测方法“硬短路”（“桥臂短路”）通常会在IGBT的截止状态时发生，假如IGBT在硬短路状态下开通，那么IGBT的集电极电流将会大幅上升。它的主要特征为感抗很小，短路回路路径很短，短路电流大幅上升。和软短路相比，因为短路电流过大，需要更快的减小电流，所以硬短路的故障状态需要被快速检测。在发生硬短路时，IGBT集电极-发射极的电压会快速下降，之后重新升高到与直流母线电压一致，其变化没有像软短路一样的退饱这一现象，因此检测软短路的检测电路的的速度无法及时的对硬短路故障做出反应，需要更加快速的检测方法。依据以上的分析可以发现，硬短路故障的电流会发生剧烈的变化，即在短路时很高，我

32、们可以利用大功率IGBT发射极E与辅助发射极e两端的压降的大小和存在正比关系。所以，可直接对幅值进行检测进而反应硬短路的故障状态。2.2.2电解电容器的故障电解电容器是电力系统中一个基础且重要的电器元件，它作用是改善供电功率因数。电解电容器得应用情况十分广泛，它的正常运行保证网供电质量，所以电解电容器的故障诊断尤为重要。以下为电解电容器的一些常见故障情况。（1）电容器击穿故障如果电容器被击穿，那么电容器就无法正常的隔断直流电。在不同的电路电容器击穿后的电路的具体故障现象是不同的。但相同的是电路无法进行正常的直流工作，也会影响电路的交流工作状态。（2）电容器漏电故障电容器发生漏电的故障的原因大多

33、是电容器两极间的绝缘性能发生下降，当电容器出现漏电时，由于两极之间的漏电阻，会有一部分直流电流通过电容器，同时电容器的容量发送下降。如果耦合电容器发生漏电故障，就会使电路噪声大。如果滤波电容器发生漏电故障，电源的直流输出电压将会下降，滤波效果明显减弱。轻微漏电故障常常会导致电路的软故障，通常很难被检测。电容器漏电故障的高发情况是工作频率比较高的电路。（3）电容器软击穿故障电容器击穿是一次性被直接击穿，造成电容器永久损坏，但电容器的软击穿故障是在工作情况下暂时出现击穿故障，一段时间后故障会回复。这种故障在检测时不容易被发现，如果测量电容器两端的直流电压会为0V。软击穿故障可能出现电容器温度上升，

34、工作电压变大的间接信号。（4） 运行温度问题对电解电容器工作影响最大的就是温度。如果电容器的工作温度增加10，那么电容器的电容大小将以两倍的速率下降。在高电场强度和高温下，电容器长期运行将导致电介质老化，导致电容器的内部温升超过允许值并产生热量，从而缩短电容器的使用寿命。在严重的情况下，在高电场强度的作用下会导致电容器的击穿。为防止电容器因工作温度过高而降低工作寿命并降低电容，应在运行期间随时注意工作温度。应尽对电容器进行通风处理，便于电容器的散热。为了防止电容器因温度过高引起的内部膨胀进而造成损坏，通常规定当环境温度超过+ 300时应打开通风装置;当空气温度为+40时，电容器外壳温度不得超过

35、+ 55;当空气温度超过+ 400时，电容器应停止运行。 电解电容器的两端的电压会工作过程中进行波动变化，进行充电和放电，从而产生电流，这种电流就叫做波纹电流。电解电容器的故障不仅与环境温度的高低有关，还与纹波电流的大小有关系。电解电容器的等效串联电阻ESR和波纹电流有关，ESR大小影响着纹波电流在电解电容器中的发热程度，ESR的值和发热量成正比。法热对电解电容器的使用寿命严重很大 ，因此，由纹波电流产生的热损耗是影响电解电容器使用寿命的重要因素。纹波电流就是流过电解电容器的交流分量电流，它受环境温度和交流频率的影响，根据环境温度的不同，纹波电流的最大值也会改变。在工作温度保持不变时，流过的纹

36、波电流越大，电解电容器的使用寿命越短。波纹电流额定值是在定义复杂的，不同的厂商有不同的考虑。然而，基本的定义原理基本相同，只不过因为厂家生产条件、技术水平和生产工艺不同，所以给出的数据中对纹波电流额定值都有所保留，也就是说厂家给出的其能够承受的纹波电流比实际的纹波电流最大值要小一些，这提高了电容器工作的可靠性。以纹波电流额定值定义上的共性，目的是为了通过对其额定值制定过程的了解，找出提高纹波电流承受能力的最大值，提高电容器的利用率。电容器纹波电流的最大值为： -最大允许纹波电流，即纹波电流额定值；ESR-等效串联电阻；-功率损耗的最大值。而由下面的公式决定：-最大允许温升，也就是内部核心温度与

37、环境温度的最大差值；-电容器内部核心到外界环境的热阻。由上面纹波电流额定值的定义中可以发现，决定纹波电流额定值的因素ESR和都与温度有关。这反应了纹波电流额定值也与温度有关，由前面的公式分析可知，限定最大允许温升为10，基本不变，那么纹波电流额定值就只与ESR有关。但是实际情况不一定这样，因为不同额定工作温度下，最大允许升温是不同的，一般额定工作温度与最大允许温升成反比。电容器在实际使用中，为了可靠性考虑，一般电容中的纹波电流为其额定值的80%。所以我们需要对电容器厂家给出的纹波电流额定值进行计算，以便得到真实的数据。 纹波电流额定值的计算系数入表：100HZ120HZ1K10K20K40K1

38、00K0.30.320.50.60.70.81.0第3章 故障诊断算法研究3.1几种IGBT短路故障诊断方法3.1.1常规退饱和电路检测方法Concept驱动器的常规去饱和检测电路该图显示了Concept驱动器的常规去饱和检测原理。当IGBT导通时，如果集电极电压和二极管电压降之和小于+60V电源电压，电流源IS将通过二极管VD、IGBT集电极到发射极形成一个回路，从而测试点a会电位随着变化，进行IGBT去饱和测试。在接收到8.5s的导通命令，即Q1关闭后，测试点a的电压高于参考电压，驱动器输出短路故障状态。故障检测响应时间为9.9-10.5s。短路故障下的IGBT退饱和为，在发生短路故障后，

39、短路电流会大幅上升，同时IGBT的温度也会上升，由于IGBT的阻抗与温度成正比，所以IGBT会退出导通状态，从饱和区进入有源区，结束退饱和过程。Concept 驱动器根据检测短路时集电极电压上升来对IGBT的退饱和过程进行判断 ，从而判断短路障的发生。IGBT退饱和过程该图显示出了电路的测量点a和b之间，当IGBT正常导通时的输出波形，也就是Concept去饱和检测电路的波形。从图中可以看出，在正常的传导过程中，Concept去饱和检测电路存在一个6s左右持续时间的干扰电压，这就是为什么直到它接收到开通命令8.5s后才开始故障检测的原因。桥臂直通硬短路，散杂电感大桥臂直通软短路，散杂电感大桥臂

40、直通硬短路，散杂电感小桥臂直通软短路，散杂电感小单个IGBT硬短路，散杂电感小单个IGBT软短路，散杂电感大在设定的10s短路时间内，Concept退饱和检测电路的输出电压没有都超过门限电压 50 V，这和短路电流在IGBT内部寄生电感产生的感生压降有关。短路故障的理论和大量实验测试表明，Concept退饱和检测电路存在着局限性， Concept退饱和检测电路的缺陷为：（1） 响应时间过长 目前普遍使用的大功率IGBT器件一般最久能够承受10s短路电流，所以短路故障需要在10s之内得到检测并进行关断。而Concept驱动器的响应时间和IGBT的最大承受时间10s一样，IGBT器件存在被烧毁的风

41、险。Concept 驱动器检测时间长主要存在两个主要问题，一个是正常工作时检测电路波形存在干扰，为避免这种干扰，就需要在8.5s后才开始检测。另一个是为了避免出现故障情况被错误判断，电路测试点a处一般会加上RC电路进行延时处理，因此波形滞后于实际的波形。（2） 如果退饱和过程没有发生就无法进行短路故障在测试中，存在短路工况IGBT导通压降没有高压规定电压，就不会有退饱和过程发生。IGBT出现短路故障时在10s不会一定伴随着退饱和过程。因此单纯依靠退饱和电路不一定在10s内检测出所有的短路故障状态，这一点时故障检测和保护的一个严重的漏洞。3.1.2IGBT集电极电压分立检测完成对IGBT集电极电

42、压的测量电路如图，图中的作用是测量IGBT集电极电压的开关暂态和IGBT关断时的电压，的作用是帮助完成IGBT集电极电压导通稳态电压的测量，是集电极电压的值。电流源与相同，当IGBT导通时，二极管VD1正偏导通，和二极管VD2流过的电流相同，这时差分放大电路的输出电压与IGBT两端电压相同；在IGBT开关暂态及关断稳态时，通过阻容分压电路，其经运算放大器阻抗隔离后的电压与集电极电压关系为IGBT集电极电压分立检测电路测试主要为了得到IGBT在正常导通时、软短路时、硬短路时和软硬混合短路情况下的各种脉冲波形。是IGBT的集电极电压，为的IGBT集电极电流，/4就是把集电极电流缩小4倍。测试装置使

43、用不同得负载进行本次测试，测试脉冲如下图：IGBT正常情况测试脉冲 IGBT单管硬短路或软短路测试脉冲IGBT双管同时硬短路测试脉冲IGBT软硬管混合短路测试脉冲因为IGBT集电极的导通电压数值不大，不便于在图中进行清楚地显示，因此测得的导通压降电路的输出电压放大了200倍;；集电极开关暂态电压及关断稳态电压测量电路输出电压为根据阻容分压比对IGBT实际的集电极电压进行了缩小，所以需要在计算中根据阻容分压比进行还原，以便真实反映IGBT集电极电压大小情况，还原后分别用、进行表示。在母线电压为2kV的情况下，使用IGBT单管硬短路或软短路测试脉冲，负载为0.32mH、0.5mH和1mH的测试结果

44、如下图：全图第1个脉冲开通暂态第2个脉冲开通暂态可以看出的是，在第1个脉冲开通暂态，导通压降下降到2.5V约使用了5s，下降到50V以内约使用了1s；在第2个脉冲开通暂态（稳态集电极电流1.5-2KA），降到5V约使用了8s，幅值在其开通后，延迟下降的时间随集电极电流的增加而加长，这一点为IGBT软短路故障检测提供了机会，但因为延迟时间大约为10s，所以还是存在IGBT短路故障的盲区，但是可以用于IGBT过电流故障检测。从开关暂态波形分析得出，能完美地反应实际集电极电压的变化，在IGBT开通约2s后，幅值小于50V。在使用测试装置分别在1.5KV,1.8KV和2.0KV的电压下进行测试的结果如

45、下：单管硬短路测试结果双管硬短路测试结果单管软短路测试结果软、硬混合短路测试结果从单管硬短路测试结果可以发现，在IGBT开通2s后，幅值约为700V，正常在无电流下开通暂态值小于50V，这个值远大于正常情况。所以在IGBT开通暂态的过程中，可以较好地跟踪集电极电压的变化，所以可以利用检测来实现单管硬短路故障的快速识别。从双管硬短路测试结果可以发现，幅值在IGBT导通3s后达到500V，这个超出了正常工作情况下的导通压降值，所以可以利用检测幅值实现IGBT的保护。但这时位于集电极的电流大于8kA，不能再集电极电流较小的情况下检测故障。从单管软短路测试结果可以发现，要想发现短路故障需要等幅值退出饱

46、和区，在导通7s左右后才达到500V，不能完成IGBT软短路快速保护。在IGBT发生短路和导通之间，有着78s的延迟时间，在不同负载电流下，延迟时间不一样，所以同样不能识别次类型短路故障。从软、硬混合短路测试结果可以发现、幅值在导通时间 7 s时都会上升到 500 V，我们可以利用这个时间进行检测；硬短路测试比软短路测试的 、幅值更高，所以可以识别这种故障。 3.1.3集电极电流检测检测的原理为：为门极电流 由运算放大器的原理可以得知和的关系为：带入当IGBT处于开关暂态时，和的变化是在不同时间发生的，所以只要在暂态前，把电容复位，就能消除对的影响，公式可以改变为：为选择合适的参数使得到的关系

47、。当上述公式在所有频率都成立，情况下在时成立，情况下在时成立。硬短路时集电极电流测试结果软短路时集电极电流测试结果通过软短路、硬短路测试测试结果可以发现，IGBT集电极电流的估计值的实际值趋势基本相同，相位大致相同，但估计值幅值偏小，这说明集电极电流检测电路的测量精度很高。在IGBT关断后，集电极电流估计值的下降比实际值更慢，因为运算放大器芯片在关短后放电，所以能过通过检测的集电极电流来及时发现IGBT的短路故障，可以通过频率范围不同反映不同的故障情况，是故障检测更加灵活。由于本方法直接检测集电极电流进行短路故障分析，不存在其他方法的保护盲区。故障检测电路由运算放大器、电容和电阻构成，结构简单

48、，组成部件常见，容易装置在大功率电能变换系统中，为实现大功率IGBT的故障诊断提供了一种优秀的方法。3.2 电解电容器的故障诊断方法3.2.1电解电容器ESR的检测电解电容器的故障诊断的核心问题就是检测信号，需要找到电解电容器的一个参数来和检测信号建立联系，电解电容的等效串联电阻ESR是电解电容器的故障诊断的重要参数，我们将利用这个来进行电解电容器的故障诊断。电解电容可以通过其他元件进行等效。ESR为等效串联电阻,ESL为等效串联电感,C为等效串联电容,RL为电容器等效泄漏并联电阻。因为大功率电能变换装置一般在中、低频工作,所以RL很小,ESL比ESR小很多,RL、ESL的影响可以不计,其等效

49、电路模型为C和ESR的串联。电解电容器的等效电路电解电容器ESR随工作温度、时间变化的表达式为：ESR(t)是在温度T下电解电容器的ESR值;T是电容器内部温度;ESR(0)是电容初始时刻的ESR值;k为电容设计和结构所决定的常数。ESR的大小我们没有办法直接测量，所以需要测量其他容易测量的值然后通过他们的ESR的大小进行计算。电容器在大功率电能变换装置中一般进行能量储存和变换工作,所以可以选择电容器的输出纹波电压、电容电流作为检测对象,使用FFT展开、频域特征提取,用来计算ESR。通过FFT频率f下的分量为、,根据幅频、相频特性得到、的幅值、和相位、。等效阻抗Z的公式为：频率为f时，公式可以化简为使用此公式就可以完成对电解电容器ESR的计算，以此来进行故障诊断。3.2.2用LS-SVM回归预测进行故障检测LS-SVM是最小二乘支持向量机，它可以用于模式分类以及函数回归预测，基本思想是通过线性约束的二次规划来得出最优解。它常被应用于解决小样本、非线性等实际问题, 适用模型广泛、预测十分精准。SVM回归函数表达式： 最小化上述公式把不等式约束转化成等式约束： 为误差;C为常数;为输入样本，为输出样本建立拉格朗日方程：根据Karush-Kuhn-Tucker定理,最后可得LS-SVM函数为：3.2.3电解电容器故障判别方法