障碍判断论文：电子电路障碍判断法综述

作者：吴祎 王友仁 陈妤 姜媛媛 单位：南京航空航天大学自动化学院测试系

关键元器件失效机理分析

电解电容和功率开关管作为电力电子电路的关键元器件,其失效概率之和高达91%[7]。因此,本文仅研究电力电子电路中由于电解电容和功率MOSFET性能退化导致电路发生故障的情况,将其他元器件视为理想器件。电解电容的失效机理分析电解电容是电力电子系统中最易发生故障的器件,随着使用时间的增加,电解液逐渐蒸发,引起电容值C减小、等效串联电阻ESR增大,最终导致电容失效。因此,可将电容值C和等效串联电阻ESR作为电解电容的故障特征参数[810]。一般,以ESR超过初始值的3倍或以电容值减少20%作为电解电容的失效判据,即：ESR/ESR>2或C/C>20%(ESR与C分别为ESR与C的变化量)。功率MOSFET的失效机理分析功率MOSFET在电力电子电路中起到开关的作用,电压应力、电流应力、热应力和开关内部非线性效应等原因将引起开关导通电阻Rds增大、阈值电压Vth增大或跨导gm减小,从而影响开关特性。本文将阈值电压（式略）

电路的故障特征参数选取

输出电压基准变化率定义为：（式略）在电路元器件参数(电容C、电感L等)及电路工作参数(输入电压Uin、负载电阻R、开关的占空比D等)均为初始值的条件下,电路的输出平均电压。Uout表示电路输入电压同为Uin时,在元器件参数退化和电路工作参数改变的情况下,电路的输出平均电压。由电路原理及的定义可知,为Uin、C、L、D、R、ESR、Vth的函数,且能够反映电路输出电压的变化。因此,本文将输出电压基准变化率作为表征电路退化情况的故障特征参数,并将>2%作为电路的故障判据。

基于BPNN的故障诊断方法

理论证明,含有一个隐层的BPNN可以逼近任意非线性函数,其结构如（图略）,图中i为输入层神经元,j为隐层神经元,k为输出层神经元。利用BPNN进行在线参数辨识的步骤为：1)离线训练。通过直接学习系统的输入输出数据,使得所要求的误差准则函数达到最小,从而辨识出隐含在系统输入输出之间的关系,离线建立BPNN。离线建立BPNN的流程。2)在线辨识。利用数据采集系统,实时采集电路的状态信号,并进行数据处理,得到电路的状态参数。以电路的状态参数作为BPNN的输入信号,待辨识参数值作为BPNN的输出信号。电路在线故障诊断根据BPNN实时辨识出元器件故障特征参数及电路的工作参数,进而得到电路故障特征参数。将元器件及电路的故障特征参数分别与规定的阈值比较,即可确定相应元器件或电路是否发生故障。

实验结果及分析

Boost电路及其仿真参数设置Boost电路的开环控制电路图及各元器件参数设置。功率MOSFET采用IRF540,其开关频率f=40kHz,占空比D=0.33;滤波电感L=400H;输出滤波电容C=47F,等效串联电阻值ESR=0.2,此处采用理想电容C和等效串联电阻ESR串联的模型表示实际电容;负载为R=10的阻性负载。利用PSpice对Boost电路进行仿真,设置仿真时间为10ms,瞬态分析步长为1s,采样9~10ms区间内电路的状态信号,即电感电流iL、功率MOSFET漏极电流iD、电容电流iC、功率MOSFET漏极电压uD、电路输出电压uout,以电路状态信号的平均值及输出电压纹波比作为电路的状态参数,即IL、ID、IC、UD、Uout、。（式略）Boost电路在线参数辨识考虑到实际工作情况下信号的噪声及元器件的容差,仿真中设置（式略）网络参数选择如下：隐层选用双曲正切S型传递函数,输出层选用线性传递函数,采用L-M最优权值学习方法,设置训练目标最小误差为=0.002,学习速率为0.15。利用PSpice进行电路仿真,得到训练数据62370组,测试数据50组。首先离线训练并确定BPNN的网络结构,然后对测试数据进行辨识。BPNN网络的结构参数(隐层神经元个数、输入、输出参数)、辨识的时间损耗,电路工作参数及元器件故障特征参数的最大辨识误差如表2所示。该参数辨识方法的时间损耗较小,对每一个测试样本进行参数辨识的时间均小于1ms,可实现在线的参数辨识;：参数辨识精度较高,对元器件故障特征参数及电路工作参数的最大辨识相对误差的数值均小于5%。本文采用BPNN实现电力电子电路的参数辨识，影响其辨识精度和辨识速率的关键因素在于：1)合适的神经元输入：需要通过反复实验,从IL、ID、IC、UD、Uout、、中选取合适的状态参数作为神经网络的输入。2)合适的隐层神经元个数：当神经元个数过少时,学习容量有限,不足以涵盖训练样本的所有规律;而个数过多,不仅会增加网络训练时间,而且会加入干扰和噪声,降低泛化能力。Boost电路在线故障诊断设置Ui为12V(20%)范围内变化的随机值;根据元器件的退化规律[7-8],获得电解电容的C、ESR及功率MOSFET的Vth在1Δt~5Δt、20Δt~24Δt(Δt=100h)时刻的数值,并通过仿真获得电路的Uout和*outU,再根据式(1)计算得到。（表略）1~23Δt时刻<2%,电路都处于正常工作情况,而24Δt时刻,>2%,电路发生了故障。因此,电路发生故障的时间应该在2300~2400h内。（表略）中各时刻元器件参数的数值可知：在电路发生故障前,电解电容已经失效,而功率MOSFET尚未失效。这与系统级故障的定义吻合：由于系统内部多个部件或子系统的性能降级以及它们之间的交互耦合作用,导致系统整体性能降级,即发生系统级故障。而单独从系统内各单元角度看,各单元的状态并不一定都达到给定的失效阈值。由实验结果也可以验证上述定义,因此,系统级故障与元器件故障有所不同,但系统级故障大部分是由于元器件发生故障所导致,两者同时存在着一定的联系。