级联H桥变换器IGBT开路故障分析与冗余方法研究_赵楠.pdf

2023 年3 月 电 工 技 术 学 报 Vol.38 No.6 第 38 卷第 6 期 TRANSACTIONS OF CHINA ELECTROTECHNICAL SOCIETY Mar.2023 DOI:10.19595/ki.1000-6753.tces.211734 级联 H 桥变换器 IGBT 开路故障分析与冗余方法研究 赵 楠 郑泽东 刘建伟 李 驰 李永东（电力系统及大型发电设备安全控制和仿真国家重点实验室（清华大学电机工程与应用电子技术系）北京 100084）摘要 级联 H 桥变换器包含了大量的开关器件，往往面临严峻的可靠性问题。该文从电路特性和调制过程两方面对级联 H 桥变换器 IGBT 开路故障的影响规律进行分析，并提出一种基于调制重构的级联 H 桥变换器 IGBT 故障冗余方法。该故障冗余方法通过重构变换器调制过程，使 H桥从故障中恢复运行，且发生开路故障的单元依然具有部分功率传输能力，提高了级联 H 桥变换器开路故障的处理能力。关键词：级联 H 桥变换器 开路故障分析 冗余方法 调制重构 中图分类号：TM461 0 引言 级联 H 桥变换器是一类采用多单元级联技术实现高压大功率电能转换的变换器，经常被应用于电力电子变压器、高压逆变器中1-3，其示意图如图 1所示。图 1 级联 H 桥变换器示意图 Fig.1 Topology of a H-bridge converter 对于多单元级联型变换器，其包含了大量的功率器件，因此往往面临严峻的可靠性问题。在发生故障后，首先需要故障检测方法对故障进行判断与定位，然后利用故障冗余保护方法将故障切除。目前关于级联型变换器的故障诊断方法相对成熟，能够有效地识别级联 H 变换器的开路故障4-5。故障冗余方法大致可分为两类：系统级故障冗余与部件级故障冗余6。系统级故障冗余会额外设置多个冗余单元，一旦发生故障则将利用冗余单元代替故障单元。部件级故障冗余研究单元本身，通过调整电路拓扑结构或重构调制方式，提高每个单元的故障冗余能力。在系统级故障冗余方面，通常利用快速短路开关将 H 桥变换器的故障单元切除，并将正常单元投入工作7-8。为了扩大故障后变换器的运行区间，提高电压利用率以及功率因数，除了通过直接切除故障单元保证系统平衡外，还可以采用直流侧电压调整9、热备份冗余单元10等方案。然而，系统级冗余方法面临成本增加、效率降低、控制难度增大等问题，当备用单元由于故障而全部投入使用后，再发生故障系统就会面临停机的危险。因此，需要部件级故障冗余方法配合。在部件级故障冗余方面，通常会针对单个变换器进行改进或重构，通过增加冗余开关器件11、冗余开关桥臂12，甚至改变电路拓扑结构13达到提升单个变换器冗余性能的目的。通过此类冗余方法，确实可以在故障后提高变换器的可靠性，但在多单元级联的拓扑结构中，其成本也会相应增加。因此，也有很多研究试图在不改变拓扑结构的情况下，通 广东省重点领域研发计划资助项目（2020B0909030003）。收稿日期 2021-10-29 改稿日期 2022-02-10 第 38 卷第 6 期 赵 楠等 级联 H 桥变换器 IGBT 开路故障分析与冗余方法研究 1609 过调整调制方式来扩大变换器的工作范围。比如通过对故障后开关器件脉冲进行重构，使变换器依然保持一定的运行能力14。目前针对级联 H 桥变换器的故障冗余研究依然不充分，往往集中于系统级冗余方案，当未设置冗余单元，或者冗余单元已经被使用时，级联 H 桥系统无法应对继续发生的故障。本文通过对 IGBT 开路故障进行分析，提出一种级联 H 桥变换器部件级冗余方法，通过重构不同区间下调制波情况，保证级联 H 桥单元在故障后依然能够输出部分功率，扩大变换器的运行范围，同时不会引起网侧电流畸变。1 IGBT 开路故障分析 为了研究级联 H 桥电路的故障冗余方法，首先要研究 IGBT 故障对 H 桥变换器工作特性的影响。单个 H 桥单元是一个四象限变流器（不含输入电感），VT1VT4依次为全桥电路的四支 IGBT，VD1VD4为其对应的反并联二极管。规定从桥 a 流入四象限变流器的电流方向为正方向。当电路正常运行时，四象限变流器一共包含四种工作状态，如图 2 所示。一个桥臂中的上、下开关管互补导通，根据桥臂 a 与桥臂 b 开关管状态不同，将四象限变流器工作状态划分为状态状态。状态下，VT1和 VT3施加导通信号，VT2和VT4施加关断信号，此时 VT1和 VT3导通，VT2和VT4关断，正向的输入电流通过 VD1与 VT3续流，而反向的电流流经 VT1与 VD3，此时端口电压为0V。状态下，VT1和 VT4导通，VT2和 VT3关断时，正向的输入电流流经 VD1、直流侧电容和 VD4，而反向的电流流经 VT1、直流侧电容和 VT4，此时 图 2 单个 H 桥单元正常工作下的四种状态 Fig.2 Four normal working conditions of a H-bridge converter unit 端口电压为+udc。状态下，VT2和 VT3导通，VT1和 VT4关断时，正向的输入电流流经 VT2、直流侧电容和 VT3，而反向的电流流经 VD2、直流侧电容和 VD3，此时端口电压为-udc。在状态下，VT2和VT4导通，VT1和 VT3关断时，正向的输入电流通过 VT2和 VD4续流，而反向的电流流经 VD2和 VT4，此时端口电压仍为 0V。为了分析 VT1开路故障的影响，将 VT1设定为开路，同时在电流正向和反向情况下分别分析状态状态。当电流正向时，VT1开路故障下四象限变流器的运行状态状态如图 3a图 3d 所示。在状态与状态中，当 VT1导通、VT2关断时，正向电流会强迫 VD1导通续流，此时虽然 VT1开关管发生了开路故障，但是 VT1支路依然相当于导通状态，因此，交流端口电压并没有发生改变，与正常工作时相同；状态的端口电压为 0V，状态的端口电压为+udc。在状态和状态中，VT2导通而 VT1关断，电流通过 VT2续流，此时工作状态和正常工作 图 3 单个 H 桥单元 VT1故障下的工作状态 Fig.3 Working conditions under VT1 fault 1610 电 工 技 术 学 报 2023 年 3 月 时相同，交流端口电压依然保持不变；状态的端口电压为-udc，状态的端口电压为 0V。当电流反向时，四象限变流器的工作情况发生了变化，如图 3e图 3h 所示。在状态和状态下，本应 VT1导通、VT2关断，但由于 VT1发生开路故障，该支路无法流过电流，因此只能通过 VD2续流，VT2支路被迫导通，四象限变流器的工作情况发生了改变。在这种情况下，状态的端口电压从 0V 变为-udc，状态的端口电压从+udc变为 0V。在状态和状态时，VT2导通而 VT1关断，反向电流通过二极管 VD2续流，工作状态不发生改变；状态的端口电压为-udc，状态的端口电压为 0V。总之，VT1故障仅会在电流反向情况下改变四象限变流器的工作情况，状态和状态的端口电压分别从 0V和+udc变为-udc和 0V。VT2发生开路故障后的电路各状态如图 4所示，其中图 4a图 4d 为电流正向情况下的波形，图 4e图 4h 为电流反向情况下的波形。与 VT1故障相反，VT2故障会影响电流正向情况下状态及状态的工作情况。状态和状态的端口电压分别从正常 图 4 单个 H 桥单元 VT2故障下的工作状态 Fig.4 Working conditions under VT2 fault 情况下的-udc和 0V 变为 0V 和+udc。VT3发生开路故障后的电路各状态如图 5所示。VT3故障主要影响电流正向情况下状态和状态的工作情况。状态和状态的端口电压分别从正常情况下的 0V 和-udc变为+udc和 0V。VT3故障不会影响电流正向下状态和状态的工作情况，同样也不影响电流反向情况下状态状态的工作情况。图 5 单个 H 桥单元 VT3故障下的工作状态 Fig.5 Working conditions under VT3 fault VT4发生开路故障后的电路各状态如图 6所示。与 VT3故障相反，VT4故障会影响电流反向情况下状态和状态的工作情况。状态和状态的端口电压分别从正常情况下的+udc和 0V 变为 0V 和-udc。经整理，VT1VT4开关管故障后对电路的影响见表 1。第 38 卷第 6 期 赵 楠等 级联 H 桥变换器 IGBT 开路故障分析与冗余方法研究 1611 图 6 单个 H 桥单元 VT4故障下的工作状态 Fig.6 Working conditions under VT4 fault 表 1 VT1VT4故障对电压的影响规律表 Tab.1 Influence of VT1-VT4 fault on voltage 电路状态 状态 状态 状态 状态桥 a 1 1 0 0 桥 b 1 0 1 0 实际 0V+udc-udc 0V VT1故障+ig 0V+udc-udc 0V-ig-udc 0V-udc 0V VT2故障+ig 0V+udc 0V+udc-ig 0V+udc-udc 0V VT3故障+ig+udc+udc 0V 0V-ig 0V+udc-udc 0V VT4故障+ig 0V+udc-udc 0V-ig 0V 0V-udc-udc 2 IGBT 故障对脉冲宽度调制电压影响分析 IGBT 故障会导致某些状态下故障单元的端口电压发生变化，在实际调制过程中产生脉冲宽度调制（Pulse Width Modula,PWM）电压，其冲量与原始的控制电压并不相同，加在电感上的电压发生变化，引起输入电流畸变与功率波动。为了更好地分析 IGBT 故障对 PWM 电压的影响，依据电流和电压的正负情况，将级联 H 桥一个周期的运行情况分为四个区间，如图 7 所示。其中，ig为输入电流波形，uconv为交流侧控制电压波形（或PWM 电压的基波分量）。区间为输入电流正向且交流侧控制电压波形反向，区间为输入电流正向且交流侧控制电压波形正向，区间为输入电流反向且交流侧控制电压波形正向，区间为输入电流反向且交流侧控制电压波形反向。图 7 级联 H 桥运行区间 Fig.7 Working aeras of H-bridge converter 为了提高等效开关频率，实际调制过程中通常会采用单极性调制的方法。各单元调制波与交流侧控制电压的相位保持一致。取一个开关周期下的PWM 电压进行分析，不同的 IGBT 故障对 PWM 电压的影响如图 8 所示。状态状态对应四象限变流器的四种工作状态，区间是依据不同的电流方向和交流侧控制电压划分的四个运行区间。图 8 不同 IGBT 故障对 PWM 电压的影响 Fig.8 Influences of different IGBT faults on PWM voltage 在正常工作情况下，运行在、区间（交流侧控制电压为正）时，桥臂 a 调制波高于桥臂 b 调制波，此时四象限变流器会依次工作在五种状态，输出两个高电平脉冲电压。运行 1612 电 工 技 术 学 报 2023 年 3 月 在、区间（交流侧控制电压为负）时，桥臂 a 调制波低于桥臂 b 调制波，此时四象限变流器会依次工作在五种状态，输出两低电平脉冲电压。根据冲量等效原则，正常情况下四象限变流器单元输出的等效 PWM 电压值 uconvi,nor为 convconv,noriuun=（1）式中，uconvi,nor为第 i 个单元正常情况下的 PWM 电压值；uconv为级联 H 桥变换器交流侧控制电压波形；n 为单元数。由于 VT1故障仅在电流反向时对各电路产生影响，因此只有区间和区间的 PWM 电压波形发生改变。在区间内，桥臂 a 调制波高于桥臂 b 调制波，此时四象限变流器同样会依次工作在五种状态。由于 VT1故障时状态和状态的端口电压分别从 0V 和+udc变为-udc和 0V，因此等效在区间内输出一个低电平脉冲电压。在区间内，桥臂 a 调制波低于桥臂 b 调制波，四象限变流器工作在五种状态，其中状态的端口电压从 0V 变为-udc，同样等效在区间内输出一个低电平脉冲电压。根据冲量等效原则，将区间和区间时间内的电压取值修改后，重新计算一个周期内的冲量情况，可以得到 VT1故障后区间及区间内四象限变流器输出的等效PWM 电压值 uconvierr,T1为 conv,nordcdcconv err,T1conv12222iiiiuuuuun=（2）式中，udci为第 i 个单元的直流侧电压。从式（2）可以看出，当 VT1故障且电流反向时，该单元输出的PWM 电压值为额定电压的一半，同时叠加了一个负电压分量，负电压分量的值为该单元中间直流侧电压值的一半。由于等效 PWM 电压值发生了改变，因此会直接导致输入电流产生畸变。同时，由于 PWM电压存在负电压分量，因此会等效地在电感电压上产生一个正电压分量；由于电压积分的作用，电感电流（即输入电流）会存在一个正向的电流偏置。VT2故障仅在电流正向时对电路造成影响，因此会改变区间和区间的 PWM 电压波形。在区间内，四象限变流器依次工作在五种状态。由于 VT2故障时状态的端口电压会由 0V 变为+udc，因此等效在区间内输出一个高电平脉冲电压。在区间内，四象限变流器依次工作在五种状态，状态和状态的端口电压分别从-udc和 0V 变为 0V 和+udc，同样等效在区间内输出一个高电平脉冲电压。通过计算可以得到 VT2故障后在区间及区间内四象限变流器输出的等效 PWM 电压值 uconvierr,T2为 conv,nordcconv err,T2+22iiiuuu=（3）当 VT2故障且电流正向时，该单元输出的 PWM电压值为额定电压的一半，同时叠加了一个正电压分量，该电压分量的值同样等于该单元中间直流侧电压值的一半。该 PWM 电压除了直接导致输入电流产生畸变外，也会在电感电压上产生一个负电压分量，最终由于积分作用导致输入电流中存在一个负向的电流偏置。VT3故障与 VT2故障相同，区间及区间内四象限变流器输出的等效 PWM 电压值 uconvierr,T3同样为 conv,nordcconv err,T3+22iiiuuu=（4）同理可以得到 VT4故障后区间及区间内四象限变流器输出的等效 PWM 电压值 uconvierr,T4为 conv,nordcconv err,T422iiiuuu=（5）综上所示，当某个单元的 VT1VT4发生故障时，会引起输出的 PWM 电压发生变化，除了电压值变为额定值的一半以外，还叠加了一个 udci/2 的直流分量。该 PWM 电压会导致输入电流产生波形畸变，电流总谐波失真增大，同时会导致输入电流中存在电流偏置。3 级联 H 桥变换器 IGBT 故障下的冗余保护方法 在级联 H 桥变换器实际运行过程中，不仅需要了解 IGBT 故障对变换器造成的影响，更重要的是在故障后快速对故障进行处理，有效地排除故障，使级联 H 桥变换器继续安全可靠运行。3.1 基于调制波重构的级联 H 桥 IGBT 故障冗余保护方法 由上述分析可知，IGBT 故障会在特定的电流方向以及运行区间下影响故障单元的 PWM 端口输出电压。为了使故障单元能够继续保持一定的功率传输能力，可以令故障单元分区间工作，即仅在能够正常输出 PWM 电压的运行区间进行工作，而在非正常运行区间，将故障单元通过一对正常的 IGBT开关管进行旁路。通过重构不同运行区间下的各单 第 38 卷第 6 期 赵 楠等 级联 H 桥变换器 IGBT 开路故障分析与冗余方法研究 1613 元的调制波，即可实现故障单元的继续运行，有效地排除故障 IGBT 对电路的影响，实现级联 H 桥IGBT 故障冗余保护。图 9 所示为级联 H 桥变换器正常工作情况下的电压相量图。总 PWM 控制电压 uconv被平均分为 n份 uconvi，发送给各个单元。各单元串联共同承担该PWM 电压，同时由于采用相同的 PWM 电压用于调制，各单元传输功率也保持一致。正常运行情况下各单元 PWM 电压控制值用于各单元进行调制，将该 PWM 控制电压值除以各单元中间直流侧电压，即可得到各单元的调制波。在实际控制系统内，该波形为阶梯波，在每个控制周期内通过计算得到该时刻的电压值，并在当前周期内保持控制值不变。为了简化说明，在此将其表示为连续的正弦波形式。当IGBT 故障时，在半个周期内会导致实际调制出的PWM 端口电压与控制电压指令值不同，可以考虑在不同的区间内对控制电压指令值进行重构。图 9 正常运行情况下级联 H 桥电压相量图 Fig.9 Voltage phasor diagram for H-bridge under normal condition 以 VT1故障为例进行分析。当 VT1发生故障时，使得电流反向时输出端口 PWM 电压波形发生改变，而电流正向时不受影响。因此，在电流正向时（即区间/内），保持所有单元投入工作。如果故障后 PWM 控制电压指令变为 uconverr，则在电流正向时，正常单元的电压指令 uconvi及故障单元的电压指令 uconvierr可表示为 convconv errconverr1=iiuuun=（6）在电流反向时（即区间/内），仅保持正常的n-1 单元工作，同时通过常开故障单元 VT2及 VT4开关管，关断 VT1及 VT3开关管，以此构造等效短路，实现故障单元的旁路。此时，正常单元的电压指令 uconvi重构为 convconverr11iuun=（7）最终，VT1故障情况下电压重构后电压相量图如图 10 所示。图 10 VT1故障情况下电压重构后电压相量图 Fig.10 Voltage phasor diagram with voltage reconstruction after VT1 fault VT1故障情况下各单元 PWM 电压控制值如图11 所示。在区间和区间内，不论是正常单元还是故障单元，均参与调制工作，此时故障单元存在一定的功率传输。在区间和区间内，仅正常单元工作，此时故障单元没有功率传输。由于区间、内总调制波不发生改变，因此级联 H 桥的工作状态不会受到影响。这就是说，通过调制波重构，在保障正常单元能够传输额定功率的同时，既排除了 VT1故障造成的影响，又保证了故障单元的部分功率传输能力，扩大了故障后变换器的运行范围。图 11 VT1故障情况下各单元 PWM 电压控制值 Fig.11 PWM control voltage under VT1 fault 1614 电 工 技 术 学 报 2023 年 3 月 同样，VT2故障情况下各单元 PWM 电压控制值如图 12 所示。与 VT1不同之处在于，VT2故障影响电流正向的区间，因此在区间和区间内，仅正常单元工作；在区间和内，所有单元均在工作。VT3故障与 VT2故障具有相同的特点，因此重构方式与 VT2相同。同理，VT4故障后的重构方式与 VT1相同。为了保证输入电流谐波最小，当改变工作的单元数时，需要重新调整各单元的载波移相值。在正常单元及故障单元均参与工作时，载波移相值为 180/n；仅正常单元参与工作时，载波移相值调整为 180/(n-1)。VT1故障后的载波调整情况如图 13 所示，VT2VT4故障的载波调整情况与VT1类似。图 12 VT2故障情况下各单元 PWM 电压控制值 Fig.12 PWM control voltage under VT2 fault 图 13 VT1故障情况下各单元载波移相情况 Fig.13 Phase shift value under VT1 fault 3.2 冗余保护方法功率传输能力与适用范围分析 为了更好地使用该故障冗余方法，需要对故障单元能够传输的功率、级联 H 桥能够传输的功率及该冗余保护方法的适用范围进行进一步探究。根据前提假设条件，故障前后正常单元传输的最大功率保持不变。故障前正常单元传输的功率可以表示为 2convgconvgconvg0()()diiiuPi t utti uin=（8）故障后，正常单元传输的功率可以表示为 2gconverrgconverrgconvgconv0()()d+()()d22(1)iiii ui uPi t utti t uttnn=+（9）联立式（8）与式（9），可以求得故障后级联 H桥变换器总的 PWM 控制电压指令 uconverr为 converrconv2(1)21nuun=（10）故障单元能够传输的功率 Pierr为 gconverrgerrgconvconv02(1)1()()d222121iiii uinnPi t uttuPnnnn=（11）最终，故障后带载能力 Perr可以表示为 2errgconverrgconvnor02(1)2(1)()()d=2121nnPi t utti uPnn=（12）式中，Pnor为正常运行时的额定功率。级联 H 桥采用该冗余方法后的相关参数变化见表 2。采用该故障冗余方法后，正常单元依然可以按照额定功率传输，故障单元能够传输约一半的额定功率。表 2 级联 H 桥故障冗余方法后的相关参数变化 Tab.2 The total summary of fault-tolerant method 参数 正常 工况 故障工况 正常单元 故障单元总调制波 uconv converrconv2(1)21nuun=各单元调制波convun converrun converrun1 converr un总功率 P=nPierr2(1)21nPPn=各单元功率 Pi Pi 121inPn 最大故障单元数2n-2.828convdciuu 当存在多个单元故障时，为了确定该冗余保护方法能够正常工作，需要保障级联 H 桥不发生过调制现象。假设共有 i 个单元发生了相同的故障（如均为 VT1故障），此时正常单元调制波为 convconverrconvconv112()222iniuuuunininini=（13）为了保障不发生过调制，则需要考虑单元调制波峰值不超过中间直流侧电压，即 第 38 卷第 6 期 赵 楠等 级联 H 桥变换器 IGBT 开路故障分析与冗余方法研究 1615 convdc2iiuu（14）最终可求得允许发生同种故障的最大单元数为 convdc2 22iuinu（15）由于 VT1与 VT4故障采用的冗余方法相同，则VT1与 VT4故障属于同类故障。而 VT2和 VT3故障采用的冗余方法恰好分别与 VT1和 VT4的冗余方法互补，属于不同类故障。因此，最多可以允许 i 个单元发生同类故障，或者 2i 个单元发生互补的故障，即 i 个单元发生 VT1、VT4故障，剩余 i 个单元发生 VT2、VT3故障。4 仿真与实验验证 4.1 级联 H 桥变换器故障与冗余方法仿真验证 为了验证提出的基于级联 H 桥调制波重构的故障冗余方法，在五单元仿真平台上对该方法进行验证。VT1和 VT2故障下输入电流、正常工作单元的PWM 电压以及故障单元的 PWM 电压如图 14 所示。图 14 VT1、VT2故障下输入电流、正常工作单元与 故障单元的 PWM 电压 Fig.14 Input current,PWM voltage of normal module and fault module under VT1 fault and VT2 fault 在 VT1故障发生后，当电流大于零时，正常单元与故障单元输出的 PWM 电压一致；当电流小于零时，输出 PWM 电压则发生畸变。部分零电平电压畸变为低电平，一个周期内原本的两个负向 PWM电压脉冲，此时合为一个负向的宽脉冲，低电平持续时间同样被延长。同时，电流过零期间也会短暂出现电流断续的暂态状态。VT1故障后输入电流发生畸变，同时包含了电流正向直流偏置，此时级联H 桥变换器已经无法达到正常的工作标准。同理，VT2故障也会产生相同的故障特征。在级联 H 桥 IGBT 的故障发生后，采用调制波重构的故障冗余方法，对故障进行冗余保护处理。故障冗余处理后，输入电流与故障单元的 PWM 电压如图 15 所示。从图中可以看出，当 VT1故障时，故障单元的 PWM 电压仅在电流正向时产生，而在电流负向时通过 VT2和 VT4常开，构成导通回路，保持输出 PWM 电压为零。当 VT2故障时，故障单元的 PWM 电压仅产生在电流负向区域，而在电流正向时通过给 VT1和 VT3施加导通信号，保持输出PWM 电压为零。输入电流恢复正常，不再畸变。图 15 VT1、VT2故障冗余后输入电流与故障单元的PWM 电压 Fig.15 Input current,PWM voltage of fault module after VT1 and VT2 fault-tolerant method 图 16 所示为从正常运行到故障的电流波形、从故障恢复正常的电流波形、故障下直流侧电压波形以及恢复后直流侧电压波形。VT1故障时，输入电流负半周畸变，同时电流存在正向偏置。采用基于 图 16 正常-故障-故障恢复过程电压电流波形 Fig.16 AC current and DC voltage of normal-fault-fault tolerance process 1616 电 工 技 术 学 报 2023 年 3 月 级联 H 桥调制波重构的故障冗余处理后，输入电流恢复正常，同时直流偏置也被消除。VT2故障时，通常输入电流在正半周发生畸变，同时存在负向偏置，故障冗余处理后输入电流同样可以恢复正常工作。无论是故障单元还是正常单元，中间直流侧电压依然可以稳定在 350V。由于只有半个周期工作，故障单元中间直流侧电压原本的二次脉动变为一次脉动。又由于正常单元在一个周期内工作状态不同，正常单元的二次脉动变成了一大一小两个脉动。正常工作时中间直流侧电压波动约为 11V，故障冗余处理后电压波动为 15V 左右，电压稳定且没有振荡或发散现象。图 17 所示为不同负载下的 H 桥变换器开路故障冗余保护方法。考虑功率因数为 1，在 H 桥变换器运行过程中，可以通过锁相环的结果对区间进行判断。从结果可以看出该开路故障冗余保护方法可以适用于不同的负载条件。图 17 不同负载情况下输入电流波形 Fig.17 Waveforms of input current under different load 图 18 所示为两个单元发生互补 IGBT 开路故障下的波形，一个单元发生了 VT1故障，另一个单元发生 VT2故障。从图 18 中可以看到，两个单元发生互补故障的情况下，完全可以令一个单元工作在电流正半区间，另一个单元工作在电流负半区间，两个单元轮流工作，H 桥变换器依旧能够正常运行。图 18 发生互补故障两单元波形 Fig.18 Waveforms of two fault modules with symmetrical faults 4.2 级联 H 桥变换器故障实验 为了进一步验证该故障冗余方法的有效性，在五单元实验平台上进行了级联 H 桥 IGBT 故障实验以及故障冗余实验，级联 H 桥变换器后连接双有源桥变换器作为负载，并构成电力电子变压器结构。在某一时刻令单元 3 发生了级联 H 桥侧的 IGBT 故障，其余单元依然正常工作。在正常运行情况下，各电气量的波形如图 19a所示。在正常运行情况下，单元端口电压为标准的PWM 脉冲电压，正负半周对称且分布均匀，总 PWM电压为标准的阶梯波，输入电流为正弦波。各单元中间直流侧电压稳定在 350V，并且存在均匀的二次脉动，双有源桥变换器的输出电压稳定在 350V。当H 桥侧发生 IGBT 故障后，故障单元端口的 PWM 电压受到影响而发生了变化，如图 19b和图 19c所示。当 VT1发生故障时，在输入电流正向的区间内 PWM电压较为正常；在电流负向区间内，PWM 电压发生明显变化，负向 PWM 脉冲宽度明显增加；在电流过零的位置，PWM 脉冲出现严重畸变。此外，输入电流也受到故障影响，电流负向部分不再是规则的正弦波，而是呈现锯齿状。同样，当 VT2故障时，在电流正向的区间内，波形也发生了类似的变化。第 38 卷第 6 期 赵 楠等 级联 H 桥变换器 IGBT 开路故障分析与冗余方法研究 1617 图 19 级联 H 桥变换器故障冗余实验波形 Fig.19 Experimental results of fault-tolerant method for H-bridge converter 可以看到，PWM 电压在故障的区间内存在明显的异常脉冲，在部分位置上出现了不属于该区间的电平。由于发生了故障，中间直流侧电压同样受到了影响。不仅故障单元的中间直流侧电压出现畸变现象，所有单元的中间直流侧电压均出现了异常，原本二次脉动消失，一个工频周期内仅剩下一次脉动。图 19d 和图 19e 所示为经过故障冗余处理后故障单元端口 PWM 电压与输入电流的波形。针对 VT1故障后的调制波重构，仅在电流正向时让故障单元工作，产生 PWM 电压；在电流反向的时候，通过一对正常的 IGBT 将故障单元隔离。同样，在 VT2故障发生后，仅在电流负向时让故障单元工作，产生 PWM 电压。从图中可以看到，通过重构调制波，输入电流基本恢复为正常的正弦。不论是故障单元还是正常单元，中间直流侧电压均可以稳定在 350V。由于故障单元在一个工频周期内仅有半个周期传递功率，因此中间直流侧电压仅存在一次脉冲。正常单元存在二次功率脉动，由于前半个周期与后半个周期传输功率不同，因此两个脉动的幅值不同。同时，输出电压是稳定的，能够维持在 350V。不论是VT1故障冗余还是 VT2故障冗余，故障单元的电感电流均小于正常单元的电感电流，说明了故障单元在故障后依然能够保留部分功率传输能力，通过重构能够继续提供部分功率传输工作。实验结果与理 1618 电 工 技 术 学 报 2023 年 3 月 论分析基本一致，并与仿真结果相吻合，进一步验证了提出的基于级联 H 桥变换器故障冗余保护方法的正确性和有效性。5 结论 本文提出了级联 H 桥变换器 IGBT 开路故障分析方法与基于调制波重构策略的冗余保护方法。本文首先研究了不同 IGBT 器件开路故障对全桥变换器端口电压的影响规律，在此基础上结合 PWM 调制策略详细分析了不同工作区间下端口 PWM 电压的变化规律以及对电路运行的影响。根据分析结果，提出了级联 H 桥调制波重构的故障冗余方法，详细分析了该重构方法的实现手段及各单元的重构策略，推导分析了该冗余保护方法的功率传输能力及适用范围。在搭建的五单元仿真与实验平台上进行了仿真与实验验证，所得结果与理论分析一致，验证了该冗余保护方法的可行性和有效性。该冗余方法的优点是，能够使 H 桥变换器从IGBT 开路故障中恢复运行，并尽可能最大化地利用故障单元传输能量。该方法属于部件级故障冗余方法，能够与设置备用冗余单元的系统级方法结合使用，即当备用单元全部被使用后，部件级故障冗余保护方法能够保证再发生故障时，变换器依然保留一定的运行能力，增强了变换器对故障的适应能力。参考文献 1 李子欣,高范强,赵聪,等.电力电子变压器技术研究综述J.中国电机工程学报,2018,38(5):1274-1289.Li Zixin,Gao Fanqiang,Zhao Cong,et al.Research review of power electronic transformer technologiesJ.Proceedings of the CSEE,2018,38(5):1274-1289.2 杨才伟.牵引传动系统电力电子变压器控制策略研究D.北京:北京交通大学,2021.3 叶满园,肖云煌,康翔,等.混合 H 桥级联多电平逆变器功率均衡控制方法J.电机与控制学报,2018,22(12):54-61.Ye Manyuan,Xiao Yunhuang,Kang Xiang,et al.Power balance control scheme of cascaded multilevel inverters with hybrid H-bridge unitsJ.Electric Machines and Control,2018,22(12):54-61.4 李玉生,田杰,张辉睿,等.基于电力电子变压器的级联 H 桥 IGBT 开路故障检测J.船电技术,2020,40(12):51-58.Li Yusheng,Tian Jie,Zhang Huirui,et al.Open-circuit fault detection and location of cascaded H-bridges based on power electronic transformerJ.Marine Electric&Electronic Engineering,2020,40(12):51-58.5 谢东,葛兴来.基于残差变化率的单相级联 H 桥整流器 IGBT 开路故障诊断J.电工技术学报,2018,33(16):3822-3834.Xie Dong,Ge Xinglai.Residual-changing-rate based open-circuit fault diagnosis for a single-phase cascaded H-bridge rectifierJ.Transactions of China Electrotechnical Society,2018,33(16):3822-3834.6 Zhang Wenping,Xu Dehong,Enjeti P N,et al.Survey on fault-tolerant techniques for power electronic convertersJ.IEEE Transactions on Power Electronics,2014,29(12):6319-6331.7 Song Wenchao,Huang A Q.Fault-tolerant design and control strategy for cascaded H-bridge multilevel converter-based STATCOMJ.IEEE Transactions on Industrial Electronics,2010,57(8):2700-2708.8 窦盛.级联 H 桥光伏逆变器故障诊断与容错控制研究D.合肥:合肥工业大学,2020.9 Moamaei P,Mahmoudi H,Ahmadi R.Fault-tolerant operation of cascaded H-bridge inverters using one redundant cellC/IEEE Power and Energy Conference,Illinois,2015:1-5.10 Zhao Nan,Liu Jianqiang,Shi Yunming,et al.Mode analysis and fault-tolerant 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