故障預測及健康管理技術(shù)(PHM)對于保障系統(tǒng)的可靠性及可維護性具有重要作用。隨著電力電子裝置在各領(lǐng)域的應用愈加廣泛,應用環(huán)境愈加苛刻,急需研究電力電子裝置的PHM技術(shù)。PHM技術(shù)主要包含故障診斷、狀態(tài)監(jiān)測、故障預測三種方法,而故障特征提取技術(shù)是這三種方法的必要基礎(chǔ)。本文以電力電子裝置中故障率較高的主電路器件——功率開關(guān)管與電解電容為主要研究對象,重點對其衰退參數(shù)以及故障特征參數(shù)的提取方法展開研究。論文首先介紹了電力電子主功率器件的故障特征參數(shù)及現(xiàn)有的故障特征參數(shù)提取方法。分別介紹了功率開關(guān)管、電解電容的故障特征參數(shù),對故障參數(shù)提取方法的研究現(xiàn)狀進行了系統(tǒng)的分類,并指出了故障特征提取技術(shù)的研究重點。論文進行了老化實驗研究。針對開關(guān)管,分別設(shè)計了溫度循環(huán)實驗、功率循環(huán)實驗、門極衰退實驗;針對電解電容,分別設(shè)計了存儲實驗、直流(DC)老化實驗、交流(AC)老化實驗。老化實驗中,分別測試了選定參數(shù)隨老化進程的變化情況,其中開關(guān)管選定的測試參數(shù)有:閾值電壓、導通壓降、體二極管壓降、漏電流;電解電容選定的測試參數(shù)有:電容值、損耗角正切值(tanδ)、漏電流。分別給出了不同老化實驗下各參數(shù)的變化情況,分析并確定導通電阻(壓降)、振鈴頻率、閾值電壓為開關(guān)管的故障特征參數(shù),等效串聯(lián)電阻值(ESR)為電解電容的最佳故障特征參數(shù),為后文的故障特征選取奠定基礎(chǔ)。論文研究了功率開關(guān)管的故障特征參數(shù)提取方法。針對導通電阻(壓降),提出了一種基于電壓源以及齊納二極管的電壓鉗位電路,解決了原有鉗位電路中存在的電壓尖峰及RC延時的問題,實現(xiàn)了功率開關(guān)管導通壓降的在線測量。針對振鈴頻率,首先提出了一種基于雜散電感電壓的振鈴頻率提取技術(shù),實現(xiàn)了開關(guān)振鈴頻率的在線提取;為了同時獲取輸入電壓以排除其對振鈴頻率的影響,又提出了一種基于經(jīng)驗模態(tài)分解(EMD)和快速傅里葉分解(FFT)相結(jié)合的振鈴頻率提取技術(shù)。針對閾值電壓,利用電力電子電路線路中的雜散電感,提出了一種閾值電壓實時監(jiān)測的方法,解決了閾值電壓監(jiān)測中電流傳感器量程與精度難以兼顧的問題。結(jié)合Buck電路的仿真與實驗,驗證了上述方法的有效性。論文研究了電解電容故障特征提取技術(shù)。分析了Buck及Boost電路輸出電容電壓及電流紋波特征,得出其存在的內(nèi)在關(guān)系。針對Buck電路,利用電容紋波電壓與紋波電流的正交性,提出了一種tanδ與ESR提取方法。針對Boost電路,利用其輸出電壓存在突變而電容電壓無法突變的特征,提出了一種ESR提取方法。以上方法不僅適用于電流連續(xù)模式(CCM)與電流斷續(xù)模式(DCM)下的阻性負載情況,而且適用于變換器負載的情況。結(jié)合系統(tǒng)仿真及實驗驗證了理論分析的正確性,并證實了上述特征參數(shù)提取方法的有效性。論文研究了基于混雜系統(tǒng)理論的功率變換器參數(shù)辨識方法。介紹了基于混雜系統(tǒng)參數(shù)辨識的基本原理,給出了Buck與Boost電路的基本混雜模型,通過分析發(fā)現(xiàn)并指出了原基本模型中存在的缺陷。針對Buck電路,提出了一種基于局部線性模型的參數(shù)辨識方法,解決了非理想因素影響辨識精度的問題。針對Boost電路,在基本混雜模型的基礎(chǔ)上引入了考慮開關(guān)瞬態(tài)二極管電流突變的修正量,解決了原基本模型無法正確辨識的問題。通過仿真研究,對各種條件下的模型辨識結(jié)果進行了對比,驗證了理論分析以及優(yōu)化方法的有效性。最后,通過系統(tǒng)實驗驗證了所提方法的有效性。本文工作為電力電子變換器中功率器件的健康管理提供了理論及技術(shù)基礎(chǔ),對于推動電力電子系統(tǒng)的PHM技術(shù)的應用具有一定的參考價值。 

 

【學位級別】：博士

 

【頁數(shù)】：147

 

文章目錄

摘要

ABSTRACT

注釋表

    1 縮略詞

    2 基本符號

第一章 緒論

    1.1 故障預測與健康管理概述

        1.1.1 故障預測與健康管理技術(shù)簡介

        1.1.2 PHM演變

        1.1.3 PHM應用

        1.1.4 PHM方法

    1.2 電力電子系統(tǒng)PHM技術(shù)

    1.3 功率開關(guān)管故障特征提取技術(shù)研究現(xiàn)狀

        1.3.1 功率開關(guān)管失效機理及衰退特征

        1.3.2 功率開關(guān)管特征參數(shù)提取

    1.4 電解電容故障特征提取技術(shù)研究現(xiàn)狀

        1.4.1 電解電容失效機理及衰退特征

        1.4.2 電解電容故障特征參數(shù)提取研究現(xiàn)狀

    1.5 本文的研究內(nèi)容及意義

        1.5.1 本文的主要研究內(nèi)容

        1.5.2 本文的主要研究意義

第二章 功率變換器主要功率器件的故障特征參數(shù)研究

    2.1 引言

    2.2 開關(guān)管故障特征參數(shù)研究

        2.2.1 老化實驗

        2.2.2 衰退特征參數(shù)分析及選取

    2.3 電解電容故障特征參數(shù)研究

        2.3.1 老化實驗

        2.3.2 衰退特征參數(shù)分析及選取

    2.4 本章小結(jié)

第三章 功率開關(guān)管故障特征提取技術(shù)研究

    3.1 引言

    3.2 導通壓降提取方法研究

        3.2.1 電壓鉗位電路概述

        3.2.2 原有電壓鉗位電路分析及改進

        3.2.3 一種新的電壓鉗位電路

        3.2.4 仿真及實驗驗證

    3.3 振鈴頻率提取方法研究

        3.3.1 開關(guān)振鈴分析

        3.3.2 基于雜散電感電壓的振鈴頻率提取方法

        3.3.3 基于節(jié)點電壓的振鈴頻率提取方法

        3.3.4 仿真及實驗驗證

    3.4 閾值電壓提取方法研究

        3.4.1 功率MOSFET閾值電壓在線提取方法

        3.4.2 功率MOSFET門極電壓變化特征分析

        3.4.3 基于拐點電壓的功率MOSFET閾值電壓在線監(jiān)測方法

    3.5 本章小結(jié)

第四章 電解電容故障特征提取技術(shù)研究

    4.1 引言

    4.2 電解電容的紋波特征及ESR提取方法分析

        4.2.1 概述

        4.2.2 Buck電路紋波特征及ESR提取方法分析

        4.2.3 Boost電路紋波特征及ESR提取方法分析

    4.3 電解電容故障特征提取方法研究

        4.3.1 Buck電路電解電容故障特征提取方法

        4.3.2 Boost電路電解電容故障特征提取方法

    4.4 仿真分析

        4.4.1 Buck電路

        4.4.2 Boost電路

    4.5 實驗結(jié)果

        4.5.1 Buck電路

        4.5.2 Boost電路

    4.6 本章小結(jié)

第五章 基于混雜系統(tǒng)理論的功率變換器參數(shù)辨識方法

    5.1 引言

    5.2 基于混雜系統(tǒng)理論的Buck變換器參數(shù)辨識

        5.2.1 Buck變換器傳統(tǒng)混雜模型

        5.2.2 基于混雜模型的參數(shù)辨識

        5.2.3 參數(shù)辨識優(yōu)化

        5.2.4 仿真研究

        5.2.5 實驗驗證

    5.3 基于混雜系統(tǒng)理論的Boost變換器參數(shù)辨識

        5.3.1 Boost變換器傳統(tǒng)混雜模型

        5.3.2 基于混雜模型的參數(shù)辨識

        5.3.3 參數(shù)辨識優(yōu)化

        5.3.4 仿真研究

        5.3.5 實驗驗證

    5.4 本章小結(jié)

第六章 總結(jié)與展望

    6.1 本文的主要工作與創(chuàng)新點

    6.2 進一步的工作展望

參考文獻

致謝

在學期間的研究成果及