传统上用于诊断DC-DC变换器故障的电气量有开关管两端电压、二极管电压、电感电压和电流、输出电压等。选用输出电压作为诊断故障特征,输出电压容易受负载影响,且诊断时间长。对于以下结构。
图1 二次型的boost变换器
如图1所示的UL1*和UL2*。选用电感L1两端电压UL1、L2两端电压UL2作为二次型boost变换器故障诊断特征。此外,经分析任意开关管或二极管故障,都会导致电感电压UL1或UL2发生变化。后续诊断方法中只需要利用电感L1电压UL1、电感L2电压UL2及UL1-UL2的极性结合驱动信号P进行逻辑组合就可以判断开关管或二极管的开路短路故障。获得电感电压极性电路如图2所示,
图2 UL1*极性获取电路
1.开关管S短路故障分析
在P=1时开关管S发生短路故障和电路正常状态情况下一致,因此开关管S短路故障不能在P=1时检测出来。当P=0时开关管发生短路故障导致电感L1和电感L2的电流流过开关管S,根据基尔霍夫电压定律(KVL),此时电感L1两端的电压和电感L2两端的电压可以表示为:UL1=Uin>0和UL2=UC1>0。这与正常情况下:UL1=Uin-UC1<0 和UL2=UC1-Uout<0不一致,因此开关管S短路故障可以在P=0时检测到。
如果开关管S在P=0时发生短路故障则故障能被立刻检测出来,如果开关管S在P=1时发生短路故障,则故障需要延迟到P=0才能被检测出来,最长延迟时间为KT,延迟时间小于一个开关周期。
2.开关管S开路故障分析
在P=0时开关管S发生开路故障和电路正常状态情况下一致,因此开关管S开路故障不能在P=0时检测出来。当P=1时开关管发生开路故障导致电感L1和电感L2的电流不能流过开关管S,根据基尔霍夫电压定律(KVL),此时电感L1两端的电压和电感L2两端的电压可以表示为:UL1= UL1=Uin-UC1<0 和UL2=UC1-Uout<0。这与正常情况下:UL1=Uin>0和UL2=UC1>0不一致,因此开关管S开路故障可以在P=1时检测到。
如果开关管S在P=1时发生开路故障则故障能被立刻检测出来,如果开关管S在P=0时发生开路故障,则故障需要延迟到P=1才能被检测出来,最长延迟时间为(1-K)T,延迟时间小于一个开关周期。
3.实验结果分析
图3 (a)开关管S发生短路故障时信号P、UL1、UL2波形;(b)图(a)对应的逻辑信号值;(c)开关管S发生开路故障时信号P、UL1、UL2波形;(d)图(c)对应的逻辑信号值
上图为二次型boost变换器的开关管S故障波形图,其中开关管S故障发生在[t0,t1]之间的某个瞬间。可以看出,指示信号Ssd在t1时刻由高电平变为低电平,开关管S短路故障在P=0时被检测到,此时UL1>0;指示信号Ssk在t1时刻由高电平变为低电平,开关管S开路故障在P=1时被检测到,此时UL1>0。
正如理论分析的结果,在状态P = 1时无法检测到开关管发生短路故障,在状态P = 0时无法检测到开关管发生开路故障。显然,开关管的最大检测延迟时间与故障发生的时间点有关,最大延迟可以分别是KT和(1-K)T,其小于一个开关周期。