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电动汽车驱动 ★ 5.0

一种无需故障诊断的四桥臂逆变器供电永磁同步电机驱动开路故障容错方案

Diagnosis-Free Self-Tolerant Scheme for Four-Leg Inverter Fed PMSM Drives With Open-Circuit Faults

作者 Minrui Gu · Zheng Wang · Zhiwei Li · Yinzhen Shen
期刊 IEEE Transactions on Power Electronics
出版日期 2025年7月
技术分类 电动汽车驱动
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 三相四桥臂逆变器 永磁同步电机 开路故障 免诊断自容错方案 零序列电流控制
语言:

中文摘要

摘要:三相四桥臂(TPFL)逆变器供电的电机驱动系统有一个额外的桥臂,可在故障条件下提供冗余电流路径。因此,TPFL逆变器供电的电机驱动系统在高可靠性应用中受到了广泛关注。为了最大程度减少诊断带来的不利影响,即误诊和转矩扰动,针对发生开路故障的TPFL供电永磁同步电机(PMSM)驱动系统,提出了一种免诊断自容错方案。研究发现,在故障情况下,TPFL逆变器供电的PMSM驱动系统中d/q轴电流控制器与零序电流控制器之间的冲突会导致转矩脉动。为解决该问题,在零序电流控制路径中设计了一个特征频率陷波器,并采用合适的周期性电流控制器来实现正常和故障运行条件之间的兼容性。这样,无需进行故障诊断或重新配置电流参考值即可实现自容错运行。实验结果验证了所提出的免诊断自容错方案对于发生断相和开关开路故障的TPFL逆变器供电PMSM驱动系统的有效性。

English Abstract

The three-phase four-leg (TPFL) inverter fed motor drive has an additional phase leg, which can provide the redundant current path under fault conditions. Therefore, the TPFL inverter fed motor drive has attracted wide attention for applications with high reliability. To minimize the adverse impacts of diagnosis, i.e., misdiagnosis and torque disturbance, a diagnosis-free self-tolerant scheme is proposed for TPFL fed permanent magnet synchronous motor (PMSM) drives with open-circuit faults. It is revealed that the conflicts between d/q-axis current controllers and zero-sequence current controller cause the torque ripple in TPFL inverter fed PMSM drives under faults. For addressing that issue, a notch filter at the characteristic frequency is designed in zero-sequence current control path, and proper periodic current controllers are dedicated to achieve compatibility between normal and faulty operating conditions. Thus, the self-tolerant operation can be realized without diagnosis or reconfiguration of current references. Experimental results are given to verify the effectiveness of the proposed diagnosis-free self-tolerant scheme for TPFL inverter fed PMSM drives with both open-phase and open-switch faults.
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SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项三相四桥臂逆变器容错技术对我们在高可靠性应用场景中具有重要战略价值。该技术通过增加冗余桥臂实现了无需故障诊断的自容错运行,这与我们在光伏逆变器、储能变流器及新能源汽车驱动系统中对高可靠性的追求高度契合。

技术创新点在于解决了传统容错方案中故障诊断延迟、误诊断和控制重构引起的转矩波动问题。通过在零序电流控制路径中引入特征频率陷波滤波器,并设计兼容正常与故障工况的周期电流控制器,实现了开路故障下的平滑过渡。这对我们的储能系统PCS产品尤其重要——在大型储能电站中,任何停机维护都会造成显著经济损失,该技术可使系统在单相或单开关故障时继续降额运行,大幅提升系统可用性。

在应用层面,该技术可直接赋能我们的工商业储能和户用储能产品线,提升在极端环境下的生存能力。对于光伏水泵、微电网等偏远地区应用,无诊断自容错特性可减少现场维护需求。在新能源汽车驱动领域,这项技术能够增强功能安全等级,符合ISO 26262标准要求。

技术挑战主要在于四桥臂拓扑增加了约25%的功率器件成本和控制复杂度。我们需要评估在不同应用场景中可靠性提升与成本增加的平衡点。建议优先在高端储能变流器和特种应用场景进行技术验证,积累工程化经验后再考虑规模化推广。长远来看,随着SiC器件成本下降,四桥臂方案的经济性将持续改善,这为我们构建差异化竞争优势提供了技术储备。