多故障容錯功能的新型逆變器拓撲研究 可靠性模型分析

1 引言

多、全電飛機是新型戰(zhàn)機的主要特征。多、全電飛機具有大容量供電系統(tǒng)和廣泛采用電力作動技術(shù)的特點，供電系統(tǒng)的可靠性至關(guān)重要。目前飛機采用余度技術(shù)以保證高可靠性，即由兩套獨立的主電源、一套備用電源、一套應急電源構(gòu)成飛機的四余度供電。關(guān)鍵設備采用四余度供電，重要設備采用三余度供電，一般用電設備采用單余度供電。余度供電在保證供電系統(tǒng)高可靠性的同時，也使供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常復雜。

提高設備本身對故障的容錯性可減少余度設計，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，節(jié)省飛機寶貴空間及其他資源。逆變電源是將飛機發(fā)電機輸出的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)樗杞涣麟姷脑O備，由于含有大量開關(guān)器件，其可靠性明顯低于高壓直流發(fā)電機系統(tǒng)，因而研究逆變器的容錯性拓撲結(jié)構(gòu)，對減少供電系統(tǒng)的余度設計具有很大的實際意義。

文獻提出一種容錯的多電平逆變器，具有功率管電壓低、容錯性能優(yōu)越的特點，但其控制復雜難以實現(xiàn)。文獻究了三相四橋臂逆變器，具有控制簡單，易于實現(xiàn)的優(yōu)點，但隨著飛機電源系統(tǒng)所需功率的劇增，每個功率管承受的電壓成倍增加，在同樣性能和外界環(huán)境下，每個橋臂具有相近的故障率，從而使三相四橋臂逆變器利用一個冗余橋臂實現(xiàn)容錯不夠可靠。為此，這里提出一種新的逆變器拓撲結(jié)構(gòu)，具有功率管關(guān)斷電壓低、容錯性能好、壽命長的優(yōu)點，仿真結(jié)果證明了其良好性能。

2 新型大功率逆變器拓撲

圖1示出所提出的具有多故障容錯功能的新型大功率逆變器拓撲。該電路優(yōu)點是正常工作狀態(tài)下，每個功率管承受的關(guān)斷電壓為直流母線電壓 Udc的一半，有助于減小開關(guān)損耗，提高輸出電壓品質(zhì)，降低開關(guān)管故障率，延長開關(guān)管壽命。低的功率管關(guān)斷電壓也使新型拓撲可用于大功率場合。為便于描述，將逆變器a，b，c三臂統(tǒng)稱為上部，A，B，C三臂統(tǒng)稱為下部。

如圖1所示，C1，C2為直流側(cè)箝位電容，中點o的電位工作前為Udc/2，T1，T2為兩個變比為1：1的三相變壓器，具有隔離和消除干擾的作用。 Ra，La，Ca分別為濾波電阻、電感和電容。正常工作時，由于上部三臂與下部三臂對稱，且a與A，b與B，c與C互補，此拓撲對于逆變器多橋臂(不多于 3個)同時故障均可容錯，上、下部互補工作能抵消各自共模電壓對中點電位的影響，減少干擾。3 新型逆變器可靠性模型分析

為驗證新逆變器拓撲的可靠性，首先對逆變器主電路進行可靠性模型分析，主要參考國軍標GJB/Z299C。

如圖1所示，不考慮元器件間連線、濾波電阻及變壓器，逆變器主要由直流母線電容、IGBT、續(xù)流二極管和LC濾波電路組成，直流電壓270 V，IGBT額定電壓450 V，額定電流30 A，工作結(jié)溫為110 ℃，續(xù)流二極管額定電壓1 kV，電流100 A，結(jié)溫50℃，環(huán)境溫度40 ℃，直流側(cè)電容容量3 300μF。IGBT工作失效率為：

式中：λb為由溫度和電應力比影響時的失效率，此類器件λb=0.74 Fit;Ti為器件結(jié)溫;πA為器件功能的影響因數(shù);Pr為額定功率;Uce為直流電壓;Uceo為額定電壓;πQ為質(zhì)量等級的調(diào)整系數(shù);πE為環(huán)境應力的調(diào)整系數(shù)。

續(xù)流二極管、直流側(cè)電容、濾波電感、濾波電容的工作失效率計算如下：

式中：MTTF為平均壽命;f(t)為失效分布密度。

由式(5)計算得新型逆變器的平均無故障時間為61.02萬小時，而四橋臂逆變器為21.49萬小時，新型拓撲具有很大優(yōu)勢。4 新型逆變器拓撲的容錯性能分析

4.1 單功率管故障下電路容錯的實現(xiàn)

單個功率管發(fā)生故障，假如功率管Va1故障，首先利用快速故障診斷算法對故障進行定位，由隔離電路迅速將故障管所在的橋臂整體從電路中切除，然后將a橋臂輸出切換到與其互補的A橋臂，A橋臂同時承擔兩個橋臂的電能輸出。

由于a臂缺失、A臂要同時對兩個橋臂供電，將會導致O1，O2兩點電位嚴重畸變，對逆變器的工