新能源汽車電驅逆變器故障鎖存保護電路研究

高 源, 王 凱

(1.浙江伊控動力系統有限公司, 上海 201804;2.青島大學威海創新研究院, 山東 威海 264200)

逆變器作為一種重要的電源轉換裝置,能夠把直流電能轉變成定頻定壓或調頻調壓的交流電[1],其安全、穩定運行對提高整個變流系統的可靠性具有重要影響[2]。新能源汽車電驅逆變器系統是車輛動力系統輸出的零部件,其輸出三相高壓電流驅動電機轉動,使電機輸出目標轉速和扭矩帶動車輛運行。電驅逆變器與汽車動力和安全性直接相關,其布置與車輛前端,環境溫度、振動環境較為密切。因此,電驅逆變器的電壓、電流和溫度等參數是車輛安全運行的關鍵數據。每類設備都具有各自的故障特征[3],逆變器工作時經常會遇到各種工作狀況,如過載、負載短路、橋臂直通、過高的電流增長率等問題[4]。逆變器系統需要對直流母線電壓和三相電流等參數進行實時監測,在出現信號故障時,執行保護動作,實現對產品和車輛安全的保護,保證產品穩定運行[5]。電驅逆變器系統故障處理電路需要對故障信號進行濾波處理,避免開關器件開關產生的電磁干擾引起故障誤報。而要實現容錯控制,首先必須快速檢測、診斷并準確定位故障[6]。許多學者在感應電動機驅動系統中提出了電力電子變換器和逆變器的故障檢測和保護方法。LU B等人[7]在保障逆變器在運行過程中的可靠性和安全性問題進行研究;D.A.GADANAYAK[8]在分布式發電系統中,通過不同的保護方法和技術對逆變器的保護策略進行研究;LI Z等人[9]研究了三相逆變器各種保護方法,并對此進行了比較和評估。此外,F.AHMAD等人[10]研究了電力電子系統中的故障診斷和容錯控制技術,并討論了逆變器故障保護方法。傳統電驅控制器系統一般使用可編程邏輯器件芯片方案設計故障鎖存電路,實現故障保護動作和故障信號的鎖存,實現對逆變器系統的保護[11]?？删幊踢壿嬓酒桨傅姆桨附Y構復雜,成本十分昂貴[12],需要使用硬件邏輯編程語言編制故障保護流程程序,燒錄到可編程邏輯芯片,在硬件設計中引入程序編制環節[13]?；诖?本文提出新能源汽車電驅逆變器系統故障鎖存保護電路的結構,包括故障信號濾波、故障信號鎖存及鎖存信息上報與清除等功能,保證故障信號不被電磁干擾等因素影響而引發故障誤報。在車輛發生故障信號置位時,可及時鎖存并上報相關故障信息,實現系統的過流和過壓保護,保護逆變器系統和整車安全。該設計實現了故障檢測、屏蔽和清除功能,提升了系統的安全性和可靠性。

1 緒論

逆變器作為電源轉換裝置的一項關鍵技術,能夠有效地將直流電能轉化為交流電,啟動速度快、高效率、安全性能卓越,以及強大的適應性和穩定性,廣泛應用于航空航天、軌道交通、新能源發電、汽車、船舶、數控機床等多個領域,也應用于通用變頻器、不間斷電源、空調、冰箱、洗衣機等各類儀器。特別是結構簡化、易于控制的三相電壓源逆變器,在工業和國防領域的關鍵領域得到廣泛應用[14-17],為生產和生活提供了便捷。

目前,逆變器的拓撲結構、控制策略和系統優化已經成熟,正在朝著更加智能化的方向發展[18]。然而,逆變器在工作中面臨著高電應力和熱應力的挑戰,交流側和直流側的異常擾動容易導致系統故障,引發各種問題。在眾多領域中,逆變器系統常在惡劣條件下運行,任何組件都可能發生故障,導致整個系統無法正常工作。長期運行在高壓和大電流狀態下的功率開關器件,尤其是實現各種PWM控制的逆變器和整流器,容易出現故障[19-20]。為了提高逆變器系統的可靠性和安全性,國內外專家學者提出了故障診斷和容錯控制技術,通過快速診斷故障位置,采取相應的容錯控制方法來維持系統穩定,并盡可能恢復系統的性能。

為了確保逆變器系統在故障后能夠快速切換到容錯控制策略,以最短的時間內恢復到安全穩定的狀態,避免系統不穩定或二次故障的發生,故障診斷方法的迅速性和準確性至關重要。因此,研究快速準確的逆變器故障診斷方法對于提高系統的安全性和可靠性具有重要意義,具有廣泛的實際應用價值和前景。

2 逆變器拓撲結構及故障分析

目前,逆變器的常見拓撲結構主要包括兩電平和多電平。實際中,較為常見的拓撲結構有兩電平的H橋逆變器和三相逆變器,以及三電平的中點鉗位型逆變器和T型逆變器。不同拓撲結構的逆變器系統在故障分布方面基本相似,主要包括功率開關管故障、二極管故障、電容故障以及PCB板故障等。雖然在系統狀態變化、故障類型和故障特征變量等方面可能存在差異,但故障的影響機制、故障分析方法以及特征提取方式在本質上是相似的。本研究針對廣泛應用的兩電平三相電壓源逆變器拓撲結構,文獻[13]和文獻[22]對三相電壓源逆變器的主要故障分布進行了詳細分析,三相電壓源逆變器的主要故障分布示意圖如圖1所示。圖中主要故障有10種情況,分別為1)直流欠過壓故障;2)直流母線電容短路故障;3)直流母線接地故障;4)逆變器單管開路故障;5)逆變器整流二極管短路故障;6)逆變器橋臂短路故障;7)逆變器功率管驅動信號故障:8)電機單相繞組開路:9)電機兩相繞組短路故障;10)電機單相繞組接地故障。

圖1 三相電壓源逆變器的主要故障分布示意圖

新能源汽車的電驅逆變器是現代電動汽車的核心部件之一,它負責將電池供電的直流電轉換成交流電以驅動電動機。然而,在電驅逆變器的長時間運行中,可能會發生不同故障,這些故障可能對車輛的性能、安全性和可靠性產生嚴重影響。因此,為了確保新能源汽車的安全和可靠性,電驅逆變器必須配備故障鎖存保護電路,以在故障發生時采取必要的措施保護系統。

3 故障鎖存保護電路結構設計

傳統新能源汽車逆變器系統故障鎖存系統結構框圖如圖2所示?？刂齐娐分苯訉C和OV采樣獲取,故障信號分別輸送到MCU主控芯片和故障鎖存與保護電路,實現故障信號狀態鎖存,并將鎖存信號回傳給MCU,MCU通過中斷的方式獲取故障信息,同時和鎖存信號比較進行二次判斷,確認對比結果是否一致。硬件故障鎖定和保護電路的鎖存狀態,可通過MCU控制清除信號,實現對該電路鎖存故障的清除或暫時屏蔽。

圖2 故障鎖存系統結構框圖

本文提出的電驅逆變器中的故障鎖存保護電路方案,利用分離邏輯器件非門、與門、與非門及D觸發器,同時配合軟件策略,實現對過壓、過流故障的鎖存、清除或者屏蔽,新式故障鎖存保護電路原理圖如圖3所示。

圖3 新式故障鎖存保護電路原理圖

該方案中故障防抖模塊結構包括電阻R1和電容C1組成過流信號的一階RC濾波,連接到與非門的輸入端;電阻R2和電容C2組成過壓信號的一階RC濾波,連接到與非門的輸入端[23]。濾波電路能有效濾除高頻干擾信號,避免了故障的誤觸發[24]。R1與C1組成的濾波結構,能有效濾除開關噪聲帶來的電壓干擾,電路的充電時間是由故障使能的緩沖時間確定;其電路充電時長可通過調節R1與C1參數,更改電容充電時間來調節,實現針對不同功率逆變器過壓、過流故障,分別設置故障緩沖時間的目的。

4 故障鎖存保護系統邏輯設計

新能源汽車逆變器系統的故障信號一般采用高電平無故障、低電平有故障的模式。正常運行時,OV信號和OC信號的電壓為高電平[25],發生故障后,故障信號迅速由高電平變為低電平,D觸發器可捕獲有效上升沿[26]。正常工作時,MCU發出的Fault Clear信號常低,D觸發器的D引腳常高,CP引腳捕獲到上升沿以后,D觸發器立即通過Q引腳鎖定D引腳的狀態,利用D觸發器的輸出更新只在CP引腳上升沿進行的特點,實現故障鎖存功能[27]。

基于故障鎖存和保護電路設計,設計故障鎖存和保護電路實現如下邏輯功能。系統處于開發調試狀態時,故障屏蔽信號置為0,方便故障參數調試;系統處于用戶使用狀態時,故障屏蔽信號置為1,執行故障監測功能。系統在用戶端上電或每次故障處理完成時,FLTCLR先置為1,執行故障清除動作,確保整車清除故障,然后將FLTCLR置為0,執行故障監測功能。

當系統發生故障,引起故障信號置位時,即使MCU發出有效的清故障指令,由于D觸發器的D引腳電平受前級與非門邏輯輸入端控制,故障信號限制使前級與非門邏輯的一端輸入為低電平,其輸出電平被約束為高電平,使D觸發器鎖存的故障信號無法被MCU清除指令清除掉。實現在有故障存在時,軟件無法清除故障的故障保護功能,即使故障消失,D觸發器輸出仍然不變,即實現了故障鎖存功能。

基于故障鎖存和保護電路設計,結合新能源汽車電驅逆變器系統重點故障OC過流故障,OV過壓故障作為鎖存和保護電路輸入。故障鎖存電路邏輯設計如表1所示。表中,OC和OV高電平1表示無故障,低電平0表示有故障[28];Clear信號中1表示執行清故障指令;故障鎖存信號中的0表示無故障被鎖存,1表示有故障被鎖存。

表1 故障鎖存電路邏輯設計

由表1可以得到,當所有輸入信號都是高電平時,故障鎖存信號的狀態是不確定的,表示在系統初始狀態下,故障鎖存狀態未定義,初始狀態不定;根據Fault disable信號,判斷是否允許故障檢測和鎖存。如果Fault disable為低電平0,無論OC和OV的狀態如何,故障鎖存信號都應為低電平,表示沒有故障被鎖存。如果Fault disable為高電平1,根據OC和OV的狀態確定故障鎖存信號的值。當Clear信號為高電平1時,故障鎖存信號被清除,即設置為低電平,表示沒有故障被鎖存。

5 實驗結果

基于新能源電驅逆變器過壓及過流故障作為電路輸入,通過實驗驗證本文提出的故障鎖存和保護邏輯功能,驗證其邏輯設計功能。測試工況為當OC故障發生,邏輯電路輸出信號置位并鎖存;OC故障信號消失后,故障清除信號置1,清除邏輯電路輸出鎖存信號;OC故障發生,邏輯電路輸出信號再次置位并鎖存;故障屏蔽信號使能,電流現有故障被屏蔽,輸出信號再次置低;故障屏蔽信號使能取消,邏輯電路輸出電平回復正常。故障鎖存保護電路功能測試波形如圖4。

圖4 故障鎖存保護電路功能測試波形

由圖4可以看出,故障鎖存保護電路實現了對過壓及過流故障的濾波,故障鎖存、清除及故障屏蔽的功能,實現保護動作的快速響應。

6 結束語

本文提出的適用于新能源汽車電驅逆變器中的故障鎖存保護電路方案,有效替代了使用可編程邏輯器件方案。利用分離邏輯器件設計的電路結構,實現了對過壓及過流故障的濾波,故障鎖存、清除及故障屏蔽的功能,能夠在微秒級別時間內,實現保護動作的快速響應,避免了傳統可編程邏輯芯片設計復雜、芯片成本和供應風險的問題。在實現故障鎖存和保護的功能同時,大幅降低了開發難度和開發成本。該設計滿足了新能源汽車對安全性和成本的雙重要求,具有一定的實際應用價值。下一步研究將從實際應用驗證、故障類型及性能優化等方面展開,進一步提升系統的可靠性和實用性。