HiFID故障注入系统
杨超等
摘要：
针对采用直接切断驱动信号的方式模拟绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）开路故障的局限性，在分析三电平逆变器IGBT开路故障表现形式及其外特性的基础上，提出一种基于信号调理的故障注入方法.通过故障注入单元对注入到被测对象的正常信号进行信号调理，将含有故障信息的信号加载到原有正常信号中再注入到被测对象，实现对IGBT不同表现形式开路故障的模拟.在CRH2型高速列车牵引传动系统虚拟仿真平台上进行故障注入仿真，结果证明该方法可行且有效.
关键词：
故障注入； IGBT开路故障； 信号调理； 逆变器； 高速列车
中图分类号： TP277
文献标志码： B
作者简介：
杨超（1991—），男，湖南株洲人，硕士研究生，研究方向为故障注入技术、系统仿真与故障测试，（Email）superyang91@qq.com；
阳春华（1965—），女，湖南娄底人，教授，博导，博士，研究方向为复杂工业过程建模与故障诊断技术，（Email）ychh@csu.edu.cn
0引言
我国高速铁路发展迅速，已形成具有中国特色的高铁技术体系，总体技术水平和应用水平居世界领先，但列车运行时速高、运行环境恶劣以及长期运行可能导致的元器件老化等为高铁的安全运行带来严重的安全隐患.
CRH2型高速列车变流器主电路采用中点带钳位二极管式三电平拓扑结构，其功率开关器件采用大功率绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）.作为高速列车的核心动力部分，逆变器的正常工作对牵引电机安全高速运转十分重要，但在实际运行中，逆变器却是高速列车的高发故障源之一.逆变器IGBT常见故障可分为短路故障和开路故障，IGBT短路故障已有较完善的解决方法，而IGBT发生开路故障后，电机往往还能够继续运行，故障不易被发现.电机在此情况下继续运行，未发生故障的IGBT将流过更大的电流，长期过载运行容易发热，也会使所带电机发热、转矩减小，如不及时处理会引起更大的事故.
对于逆变器IGBT开路故障的故障诊断和容错技术的研究受到许多学者 [45]的关注，且这些研究大多限于对永久故障的诊断.在实际运行中，间歇故障经常出现，如：在数字电路系统中间歇故障占所有可能发生故障的90%；在混合电路系统中，间歇故障发生的频率是永久故障的10～30倍，对系统性能和设备安全构成巨大的威胁.
故障注入作为一种重要的安全测试技术手段，已广泛应用于航天、交通设备、集成电路等领域，对其研究可以追溯到20世纪70年代.在IGBT开路故障注入的研究中，多采用直接切断IGBT栅极驱动控制信号的开关式方法.此方法虽然简单、可实施性较强，但未对间歇型和瞬态型的故障注入进行研究，且在模拟故障信号的同时切断包含的各种噪声干扰信号的原有正常信号，难以实现接近真实的故障模拟.
信号调理多数用于通信交互、图像处理和数据采集等对信号的处理中，从未应用于故障注入.为此，提出基于信号调理的故障注入方法，通过在被测对象控制信号线上串接信号调理电路，在原有正常信号上加载含有故障（噪声干扰）信息的调理信号，输出故障信号再注入到被测对象IGBT中.在CRH2型高速列车牵引传动系统的虚拟仿真平台上完成IGBT开路故障的故障注入试验.
1基于信号调理的故障注入
1.1逆变器IGBT开路故障及其外特性分析
CRH2型高速列车逆变器主电路采用三电平拓扑方案，IGBT常见故障分类见表1，其故障表现形式有永久型、间歇型和瞬态型3种.间歇型故障具有随机性（周期性）、间歇性、反复性，是一种从瞬态型到永久型故障的过渡故障状态，具有瞬态型和永久型2种故障表现形式的特点.当IGBT处于开路故障时外特性表现为集射极电流ICE无法流通、自身承受直流侧电压Ud，器件发生间歇故障的演化过程见图1.在设备发生间歇型故障的初期（Stage 1），引起故障的信号幅值较小且持续时间不长，不一定达到引起设备产生故障的阈值，所以在此阶段的故障特性与瞬态型故障相似；随着时间的推移，设备的故障程度加深（Stage 2），最终使设备无法工作而演变成永久型故障（Stage 3）.
故障类型故障原因
栅极驱动故障驱动电源失效，元件击穿或开路等
短路故障同一桥臂功率元件互锁延迟时间太小，漏栅极间产生转移电流而形成误导通；任一元件短路后造成另一元件开关应力增大，也致使其短路破坏等
开路故障控制电路元件性能变差，电磁兼容性差导致开关元件栅极驱动出现的故障，以及键合线破损等
m（t）=∞q=1[Γ（t-μq）-Γ（t-υq）]·fq
（1）
式中：Γ（t）为阶跃函数；μq，υq分别为第q个故障发生时故障信号的发生时刻和消失时刻，显然μq<υq<μq+1；fq：N+→R为第q个故障发生时故障信号关于时间的幅值函数.当第q个故障发生时，故障信号的持续时间τq=υq-μq，其与第q+1个故障发生的间隔时间τq，d=μq+1-υq.当（υq-μq）→∞时，式（1）右边阶跃函数的差值为无穷大，可用于表示永久型故障信号；当（υq-μq）→0时，式（1）可用于表示瞬态型故障信号.
1.2基于信号调理方法的故障注入
信号调理是把来自输入侧的正常信号变换为用于数据采集、信号交互和其他目的的特定信号，并输出到目标对象中.借助信号调理的思想，设计可输出满足故障注入要求的故障信号的信号调理电路（见图2），通过在原有正常信号的信号线上串接信号调理电路作为故障注入单元，使原有正常信号加载此电路产生的调理信号后，生成满足故障注入要求的故障信号，再注入到被测对象IGBT中.
信号调理电路结构见图3，函数信号发生器用于产生含有故障（噪声干扰）信息的调理信号；信号运算电路通过一定函数关系将调理信号加载到正常信号中，输出满足故障注入要求的故障信号，直接受控制器控制，用于完成所需功能设定.
基于信号调理故障注入方法的故障信号产生流程见图4.可实现逆变器IGBT故障注入的功能如下.1）故障表现形式：永久型、间歇型和瞬态型；2）噪声干扰项：在故障信号上加入所需噪声信号；3）故障类型：开路故障和短路故障；4）故障信号的相关时间量：故障触发（消失）时间、故障信号周期、故障持续时间和故障触发后上升（或下降）沿时间等.
2仿真设计和分析
为验证该故障注入方法的可行性和有效性，对CRH2型高速列车三电平逆变器IGBT功率管永久型、间歇型和瞬态型开路故障进行仿真试验.
搭建基于Simulink的CRH2型高速列车牵引传动系统虚拟仿真平台.其中，涉及牵引变压器二次侧牵引绕组、整流器、中间直流环节、逆变器和牵引电机等部件的参数均采用CRH2型高速列车的实际电气参数；试验仿真时长为2.0 s，设定列车匀速模式下的行驶速度为200 km/h.
通过Simulink工具箱设计基于虚拟仿真的故障注入单元及其用户界面，见图5.为验证本文方法对3种IGBT开路故障表现类型的故障注入的有效性，在0.5，1.0和1.5 s分别设定一个从瞬态型故障到间歇型故障再到永久型故障的故障信号波形图.另外，鉴于间歇型故障的故障信号具有周期性的特点，在间歇型故障注入时将其故障信号周期P设定为0.05 s.对应的故障信号演化过程的波形见图6.
在图6中，高电平区间代表被测对象IGBT处于开路故障状态.在这段时间内，信号调理电路将含有故障信息的调理信号通过信号运算的方式加载到原有正常信号上，输出故障信号注入到IGBT栅极引起开路故障.对应的故障信号波形见图7，其中高电平表示IGBT工作在导通状态，低电平表示IGBT工作在断开状态.
对比图8和9主要车载传感器的故障状态和正常运行
状态的波形图可以发现，在对逆变器V相上桥臂第一个IGBT功率开关进行开路故障的注入后，对应的逆变三相电流输出和牵引电机输出转速相比正常工作下的波形都有明显干扰，验证逆变器开路故障对高速列车行驶的不利影响.由文献[1415]对逆变器某IGBT开路故障的故障机理和三相电流波形分析可知，当被测对象IGBT在负载输出电压为正电压，对应相电流由刚过零为正电流时发生开路故障，由于牵引电机为感性负载电流不能突变，强迫其上桥臂钳位二极管导通，负载储能经由该相上由桥臂钳位二极管、第二个IGBT与负载组成的回路释放，电流逐渐减少为零.其他情况时被测对象IGBT发生开路故障对电路没有影响.所以，在被测对象IGBT发生开路故障对电路产生影响时，其故障特征为输出电流正半周缺失.
对比图7故障注入的各时段与图8三相电流输出中V相电流波形可发现，图8中V相电流输出的波形与理论分析基本吻合.由此可见，本文提出的基于信号调理的故障注入方法能有效的实现对逆变器开路故障的注入，并能实现对永久型、间歇型和瞬态型等3种故障表现形式的故障注入.
3结束语
针对CRH2型高速列车三电平逆变器IGBT运行过程中可能出现的永久型、间歇型和瞬态型开路故障，以及信号线上存在干扰噪声等的情况，提出一种基于信号调理的故障注入方法，通过在CRH2型高速列车虚拟仿真平台上进行试验，实现对高速列车逆变器IGBT开路故障的有效注入，验证方法的可行性和有效性，为高速列车逆变器IGBT开路故障检测、诊断、容错等技术的研究提供可靠、合理的故障模拟环境.
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（编辑武晓英）
