高 源, 王 凯
(1.浙江伊控动力系统有限公司, 上海 201804;2.青岛大学威海创新研究院, 山东 威海 264200)
逆变器作为一种重要的电源转换装置,能够把直流电能转变成定频定压或调频调压的交流电[1],其安全、稳定运行对提高整个变流系统的可靠性具有重要影响[2]。新能源汽车电驱逆变器系统是车辆动力系统输出的零部件,其输出三相高压电流驱动电机转动,使电机输出目标转速和扭矩带动车辆运行。电驱逆变器与汽车动力和安全性直接相关,其布置与车辆前端,环境温度、振动环境较为密切。因此,电驱逆变器的电压、电流和温度等参数是车辆安全运行的关键数据。每类设备都具有各自的故障特征[3],逆变器工作时经常会遇到各种工作状况,如过载、负载短路、桥臂直通、过高的电流增长率等问题[4]。逆变器系统需要对直流母线电压和三相电流等参数进行实时监测,在出现信号故障时,执行保护动作,实现对产品和车辆安全的保护,保证产品稳定运行[5]。电驱逆变器系统故障处理电路需要对故障信号进行滤波处理,避免开关器件开关产生的电磁干扰引起故障误报。而要实现容错控制,首先必须快速检测、诊断并准确定位故障[6]。许多学者在感应电动机驱动系统中提出了电力电子变换器和逆变器的故障检测和保护方法。LU B等人[7]在保障逆变器在运行过程中的可靠性和安全性问题进行研究;D.A.GADANAYAK[8]在分布式发电系统中,通过不同的保护方法和技术对逆变器的保护策略进行研究;LI Z等人[9]研究了三相逆变器各种保护方法,并对此进行了比较和评估。此外,F.AHMAD等人[10]研究了电力电子系统中的故障诊断和容错控制技术,并讨论了逆变器故障保护方法。传统电驱控制器系统一般使用可编程逻辑器件芯片方案设计故障锁存电路,实现故障保护动作和故障信号的锁存,实现对逆变器系统的保护[11]。可编程逻辑芯片方案的方案结构复杂,成本十分昂贵[12],需要使用硬件逻辑编程语言编制故障保护流程程序,烧录到可编程逻辑芯片,在硬件设计中引入程序编制环节[13]。基于此,本文提出新能源汽车电驱逆变器系统故障锁存保护电路的结构,包括故障信号滤波、故障信号锁存及锁存信息上报与清除等功能,保证故障信号不被电磁干扰等因素影响而引发故障误报。在车辆发生故障信号置位时,可及时锁存并上报相关故障信息,实现系统的过流和过压保护,保护逆变器系统和整车安全。该设计实现了故障检测、屏蔽和清除功能,提升了系统的安全性和可靠性。
逆变器作为电源转换装置的一项关键技术,能够有效地将直流电能转化为交流电,启动速度快、高效率、安全性能卓越,以及强大的适应性和稳定性,广泛应用于航空航天、轨道交通、新能源发电、汽车、船舶、数控机床等多个领域,也应用于通用变频器、不间断电源、空调、冰箱、洗衣机等各类仪器。特别是结构简化、易于控制的三相电压源逆变器,在工业和国防领域的关键领域得到广泛应用[14-17],为生产和生活提供了便捷。
目前,逆变器的拓扑结构、控制策略和系统优化已经成熟,正在朝着更加智能化的方向发展[18]。然而,逆变器在工作中面临着高电应力和热应力的挑战,交流侧和直流侧的异常扰动容易导致系统故障,引发各种问题。在众多领域中,逆变器系统常在恶劣条件下运行,任何组件都可能发生故障,导致整个系统无法正常工作。长期运行在高压和大电流状态下的功率开关器件,尤其是实现各种PWM控制的逆变器和整流器,容易出现故障[19-20]。为了提高逆变器系统的可靠性和安全性,国内外专家学者提出了故障诊断和容错控制技术,通过快速诊断故障位置,采取相应的容错控制方法来维持系统稳定,并尽可能恢复系统的性能。
为了确保逆变器系统在故障后能够快速切换到容错控制策略,以最短的时间内恢复到安全稳定的状态,避免系统不稳定或二次故障的发生,故障诊断方法的迅速性和准确性至关重要。因此,研究快速准确的逆变器故障诊断方法对于提高系统的安全性和可靠性具有重要意义,具有广泛的实际应用价值和前景。
目前,逆变器的常见拓扑结构主要包括两电平和多电平。实际中,较为常见的拓扑结构有两电平的H桥逆变器和三相逆变器,以及三电平的中点钳位型逆变器和T型逆变器。不同拓扑结构的逆变器系统在故障分布方面基本相似,主要包括功率开关管故障、二极管故障、电容故障以及PCB板故障等。虽然在系统状态变化、故障类型和故障特征变量等方面可能存在差异,但故障的影响机制、故障分析方法以及特征提取方式在本质上是相似的。本研究针对广泛应用的两电平三相电压源逆变器拓扑结构,文献[13]和文献[22]对三相电压源逆变器的主要故障分布进行了详细分析,三相电压源逆变器的主要故障分布示意图如图1所示。图中主要故障有10种情况,分别为1)直流欠过压故障;2)直流母线电容短路故障;3)直流母线接地故障;4)逆变器单管开路故障;5)逆变器整流二极管短路故障;6)逆变器桥臂短路故障;7)逆变器功率管驱动信号故障:8)电机单相绕组开路:9)电机两相绕组短路故障;10)电机单相绕组接地故障。
图1 三相电压源逆变器的主要故障分布示意图
新能源汽车的电驱逆变器是现代电动汽车的核心部件之一,它负责将电池供电的直流电转换成交流电以驱动电动机。然而,在电驱逆变器的长时间运行中,可能会发生不同故障,这些故障可能对车辆的性能、安全性和可靠性产生严重影响。因此,为了确保新能源汽车的安全和可靠性,电驱逆变器必须配备故障锁存保护电路,以在故障发生时采取必要的措施保护系统。
传统新能源汽车逆变器系统故障锁存系统结构框图如图2所示。控制电路直接对OC和OV采样获取,故障信号分别输送到MCU主控芯片和故障锁存与保护电路,实现故障信号状态锁存,并将锁存信号回传给MCU,MCU通过中断的方式获取故障信息,同时和锁存信号比较进行二次判断,确认对比结果是否一致。硬件故障锁定和保护电路的锁存状态,可通过MCU控制清除信号,实现对该电路锁存故障的清除或暂时屏蔽。
图2 故障锁存系统结构框图
本文提出的电驱逆变器中的故障锁存保护电路方案,利用分离逻辑器件非门、与门、与非门及D触发器,同时配合软件策略,实现对过压、过流故障的锁存、清除或者屏蔽,新式故障锁存保护电路原理图如图3所示。
图3 新式故障锁存保护电路原理图
该方案中故障防抖模块结构包括电阻R1和电容C1组成过流信号的一阶RC滤波,连接到与非门的输入端;电阻R2和电容C2组成过压信号的一阶RC滤波,连接到与非门的输入端[23]。滤波电路能有效滤除高频干扰信号,避免了故障的误触发[24]。R1与C1组成的滤波结构,能有效滤除开关噪声带来的电压干扰,电路的充电时间是由故障使能的缓冲时间确定;其电路充电时长可通过调节R1与C1参数,更改电容充电时间来调节,实现针对不同功率逆变器过压、过流故障,分别设置故障缓冲时间的目的。
新能源汽车逆变器系统的故障信号一般采用高电平无故障、低电平有故障的模式。正常运行时,OV信号和OC信号的电压为高电平[25],发生故障后,故障信号迅速由高电平变为低电平,D触发器可捕获有效上升沿[26]。正常工作时,MCU发出的Fault Clear信号常低,D触发器的D引脚常高,CP引脚捕获到上升沿以后,D触发器立即通过Q引脚锁定D引脚的状态,利用D触发器的输出更新只在CP引脚上升沿进行的特点,实现故障锁存功能[27]。
基于故障锁存和保护电路设计,设计故障锁存和保护电路实现如下逻辑功能。系统处于开发调试状态时,故障屏蔽信号置为0,方便故障参数调试;系统处于用户使用状态时,故障屏蔽信号置为1,执行故障监测功能。系统在用户端上电或每次故障处理完成时,FLTCLR先置为1,执行故障清除动作,确保整车清除故障,然后将FLTCLR置为0,执行故障监测功能。
当系统发生故障,引起故障信号置位时,即使MCU发出有效的清故障指令,由于D触发器的D引脚电平受前级与非门逻辑输入端控制,故障信号限制使前级与非门逻辑的一端输入为低电平,其输出电平被约束为高电平,使D触发器锁存的故障信号无法被MCU清除指令清除掉。实现在有故障存在时,软件无法清除故障的故障保护功能,即使故障消失,D触发器输出仍然不变,即实现了故障锁存功能。
基于故障锁存和保护电路设计,结合新能源汽车电驱逆变器系统重点故障OC过流故障,OV过压故障作为锁存和保护电路输入。故障锁存电路逻辑设计如表1所示。表中,OC和OV高电平1表示无故障,低电平0表示有故障[28];Clear信号中1表示执行清故障指令;故障锁存信号中的0表示无故障被锁存,1表示有故障被锁存。
表1 故障锁存电路逻辑设计
由表1可以得到,当所有输入信号都是高电平时,故障锁存信号的状态是不确定的,表示在系统初始状态下,故障锁存状态未定义,初始状态不定;根据Fault disable信号,判断是否允许故障检测和锁存。如果Fault disable为低电平0,无论OC和OV的状态如何,故障锁存信号都应为低电平,表示没有故障被锁存。如果Fault disable为高电平1,根据OC和OV的状态确定故障锁存信号的值。当Clear信号为高电平1时,故障锁存信号被清除,即设置为低电平,表示没有故障被锁存。
基于新能源电驱逆变器过压及过流故障作为电路输入,通过实验验证本文提出的故障锁存和保护逻辑功能,验证其逻辑设计功能。测试工况为当OC故障发生,逻辑电路输出信号置位并锁存;OC故障信号消失后,故障清除信号置1,清除逻辑电路输出锁存信号;OC故障发生,逻辑电路输出信号再次置位并锁存;故障屏蔽信号使能,电流现有故障被屏蔽,输出信号再次置低;故障屏蔽信号使能取消,逻辑电路输出电平回复正常。故障锁存保护电路功能测试波形如图4。
图4 故障锁存保护电路功能测试波形
由图4可以看出,故障锁存保护电路实现了对过压及过流故障的滤波,故障锁存、清除及故障屏蔽的功能,实现保护动作的快速响应。
本文提出的适用于新能源汽车电驱逆变器中的故障锁存保护电路方案,有效替代了使用可编程逻辑器件方案。利用分离逻辑器件设计的电路结构,实现了对过压及过流故障的滤波,故障锁存、清除及故障屏蔽的功能,能够在微秒级别时间内,实现保护动作的快速响应,避免了传统可编程逻辑芯片设计复杂、芯片成本和供应风险的问题。在实现故障锁存和保护的功能同时,大幅降低了开发难度和开发成本。该设计满足了新能源汽车对安全性和成本的双重要求,具有一定的实际应用价值。下一步研究将从实际应用验证、故障类型及性能优化等方面展开,进一步提升系统的可靠性和实用性。
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