西南交通大學劉志剛教授的科研團隊提出了一種雙重化脈沖整流器多管開路故障快速診斷方法，該方法將門極信號與交流側(cè)電壓的變化情況作為故障特征信號生成的依據(jù)，可迅速實現(xiàn)功率管單管、雙管及多管故障的準確定位，且不受負載突變影響；研究利用上海遠寬的StarSim電力電子小步長實時仿真器進行實驗，通過實驗結(jié)果驗證了所提出的IGBT開路故障診斷方法的正確性。

本成果總結(jié)發(fā)表于《電工技術(shù)學報》：陳濤，劉志剛，胡軻珽，張雨婷. 一種雙重化脈沖整流器多管開路故障快速診斷方法[J]. 電工技術(shù)學報. 已錄用。

該應(yīng)用結(jié)合NI高性能的PXI平臺和FPGA硬件以及合作伙伴遠寬能源的StarSim小步長仿真技術(shù)，幫助用戶搭建電力電子HIL和RCP仿真測試平臺。該平臺能夠以1μs以下的步長準確模擬變流器故障，幫助用戶快速完成算法驗證的測試實驗，從而有效縮短用戶科研時間，助力用戶高階科研探索和創(chuàng)新，為科研論文的發(fā)表提供可靠的實驗結(jié)果。

1、IGBT開路故障診斷研究意義與現(xiàn)狀

隨著我國高速鐵路的迅速發(fā)展，動車組的安全穩(wěn)定運行顯得尤為重要。一般來說，CRH3型動車組（Electric Multiple Units, EMUs）牽引傳動系統(tǒng)中整流部分均采用雙重化脈沖整流器拓撲結(jié)構(gòu)，其主電路功率管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）是電力電子裝置系統(tǒng)中最脆弱的結(jié)構(gòu)。由于雙重化脈沖整流器中的IGBT長期在電磁干擾、多種惡劣環(huán)境下運行，極易發(fā)生故障。而IGBT作為核心部件，其故障主要分為短路故障和開路故障。現(xiàn)有的IGBT模塊驅(qū)動電路針對短路故障已集成了硬件保護和監(jiān)控裝置，但是開路故障會導致網(wǎng)側(cè)電流畸變、直流側(cè)電壓幅值降低和波動增大，從而引發(fā)二次故障。為提高系統(tǒng)的可靠性，實現(xiàn)對IGBT開路故障的有效診斷十分重要。

現(xiàn)有研究中很少對多個IGBT開路故障進行關(guān)注，而對于雙重化脈沖整流器來說，其相比單重化兩電平脈沖整流器增加了一個整流單元，故障情況較多，故障定位的難度有所加大，故對于雙管、多管故障的診斷也不可忽視。

2、雙重化脈沖整流器拓撲結(jié)構(gòu)與原理

雙重化脈沖整流器是通過變壓器耦合的方式將兩個相同結(jié)構(gòu)的整流單元按并聯(lián)的方式組合，其原理為：各單元整流器采用共同的調(diào)制波，將兩個整流器的三角載波相位相互錯開π/2的相位角。這樣做的好處是，可使脈沖整流器輸入電流的高次諧波互相錯開，并在變壓器一次電流的諧波總量中部分諧波相互抵消，在鐵路系統(tǒng)得以廣泛應(yīng)用。

瞬態(tài)直接電流控制(transient current control strategy，TCCS)具有拓撲簡單、能夠有效抑制二次牽引繞組的諧波電流，直流側(cè)紋波電壓較小，且動態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點，CRH3型動車組通常采用該方法。

在此研究中，主電路模型如圖所示：

3、故障診斷方法設(shè)計與結(jié)果

傳統(tǒng)的單相脈沖整流器IGBT開路故障診斷中一般只考慮單管或雙管故障，對于多管故障研究很少涉及，西南交大劉志剛團隊提出的故障診斷方法綜合考慮了多種功率管開路故障情況，通過對脈沖整流器正常模式和多種功率管開路故障情況下的IGBT門級脈沖信號和交流線電壓Uab進行分析，構(gòu)建故障特征向量表達式。

例如，對于上述所示工況，在門級脈沖S1S3都為高電平時，交流電流為負的情況，正常Uab電壓應(yīng)該為0；但當T1管故障時，Uab將為-Udc；在脈沖S1高S3低時，交流電流為負的情況,正常交流電壓應(yīng)該為+Udc，但當T1管故障時，Uab將為0。具體如下圖所示，下圖實線為正常的Uab波形，虛線為T1管故障時的Uab波形。

其它的故障情況和特征向量表達式詳細推導詳見西南交通大學科研團隊發(fā)表的文章。

4、基于任意拓撲小步長實時仿真的故障診斷方法驗證

研究在實驗驗證階段，模擬了在負載突變、不同IGBT故障情況下，網(wǎng)側(cè)電壓、電流、直流側(cè)電壓及故障特征信號的變化情況，并驗證了所提診斷方法的可行性和魯棒性。一般來說，IGBT故障這種實驗一般較難在實物系統(tǒng)上實現(xiàn)；純軟件仿真又有無法接入真實控制器的缺點，較難反應(yīng)出真實控制器中的延遲和有限精度。實時仿真器可以同真實控制器連接，又不會有故障實驗危險的問題，是IGBT開路故障診斷方法驗證的理想測試設(shè)備。

任意拓撲小步長實時仿真對于IGBT故障診斷方法驗證的重要性

電力電子系統(tǒng)通常含有高速動作的開關(guān)元件，其實時仿真有一定挑戰(zhàn)，通常有兩種方法來實現(xiàn)電力電子系統(tǒng)的實時仿真，一種是基于PWM占空比測量的平均值大步長方法，一種是基于細節(jié)模型的小步長實時仿真。

對于IGBT開路故障檢測來說，它需要檢測到瞬時電路反應(yīng)，而不是經(jīng)過大步長平均的信號，因此基于PWM占空比的平均值大步長方法不適用于此研究。同時實時仿真器要能夠仿真各種故障工況，或者說任意的拓撲組合；一些只能仿真正常工況的實時仿真器也不適用。

遠寬能源（www.modeling-tech.com）提供的StarSim實時仿真器，基于電力電子器件的細節(jié)模型，利用最新的FPGA技術(shù)，可以實現(xiàn)1微秒步長、任意拓撲、任意工況的電力電子系統(tǒng)實時仿真，被廣泛應(yīng)用于牽引供電系統(tǒng)故障診斷、控制策略驗證、可再生能源并網(wǎng)、電機驅(qū)動等的實時仿真中；西南交通大學的科研團隊就采用了StarSim電力電子實時仿真器來進行所提出的雙重化脈沖整流器多管開路故障快速診斷方法的試驗驗證。

5、驗證過程和結(jié)果

下圖是HIL+RCP測試平臺示意圖，其包括實時仿真系統(tǒng)HIL和快速原型控制器RCP， 其中電力電子系統(tǒng)是利用StarSim FPGA Solver按1微秒的步長實時仿真；控制算法模型運行在RCP控制器上，實時仿真器和快速原型控制器通過真實的物理IO互連。

下圖為在小步長實時仿真實驗平臺上進行的不同IGBT故障情況下的網(wǎng)側(cè)電壓電流、直流側(cè)電壓以及故障特征信號的實驗波形。

由圖(a)和(b)可以看出，網(wǎng)側(cè)電壓電流、直流側(cè)電壓實驗波形在故障前后符合理論分析結(jié)果，且故障特征信號會迅速反應(yīng)故障并準確地定位到故障IGBT，驗證了故障診斷方法的有效性。