多故障容錯(cuò)功能的新型逆變器拓?fù)溲芯?可靠性模型分析

1 引言

多、全電飛機(jī)是新型戰(zhàn)機(jī)的主要特征。多、全電飛機(jī)具有大容量供電系統(tǒng)和廣泛采用電力作動(dòng)技術(shù)的特點(diǎn)，供電系統(tǒng)的可靠性至關(guān)重要。目前飛機(jī)采用余度技術(shù)以保證高可靠性，即由兩套獨(dú)立的主電源、一套備用電源、一套應(yīng)急電源構(gòu)成飛機(jī)的四余度供電。關(guān)鍵設(shè)備采用四余度供電，重要設(shè)備采用三余度供電，一般用電設(shè)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(shí)，也使供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜。

提高設(shè)備本身對(duì)故障的容錯(cuò)性可減少余度設(shè)計(jì)，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，節(jié)省飛機(jī)寶貴空間及其他資源。逆變電源是將飛機(jī)發(fā)電機(jī)輸出的直流電轉(zhuǎn)變?yōu)樗杞涣麟姷脑O(shè)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(jī)系統(tǒng)，因而研究逆變器的容錯(cuò)性拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，對(duì)減少供電系統(tǒng)的余度設(shè)計(jì)具有很大的實(shí)際意義。

文獻(xiàn)提出一種容錯(cuò)的多電平逆變器，具有功率管電壓低、容錯(cuò)性能優(yōu)越的特點(diǎn)，但其控制復(fù)雜難以實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)究了三相四橋臂逆變器，具有控制簡單，易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，但隨著飛機(jī)電源系統(tǒng)所需功率的劇增，每個(gè)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(gè)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(gè)冗余橋臂實(shí)現(xiàn)容錯(cuò)不夠可靠。為此，這里提出一種新的逆變器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，具有功率管關(guān)斷電壓低、容錯(cuò)性能好、壽命長的優(yōu)點(diǎn)，仿真結(jié)果證明了其良好性能。

2 新型大功率逆變器拓?fù)?/strong>

圖1示出所提出的具有多故障容錯(cuò)功能的新型大功率逆變器拓?fù)?。該電路?yōu)點(diǎn)是正常工作狀態(tài)下，每個(gè)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?fù)淇捎糜诖蠊β蕡龊?。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(diǎn)o的電位工作前為Udc/2，T1，T2為兩個(gè)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(shí)，由于上部三臂與下部三臂對(duì)稱，且a與A，b與B，c與C互補(bǔ)，此拓?fù)鋵?duì)于逆變器多橋臂(不多于 3個(gè))同時(shí)故障均可容錯(cuò)，上、下部互補(bǔ)工作能抵消各自共模電壓對(duì)中點(diǎn)電位的影響，減少干擾。3 新型逆變器可靠性模型分析

為驗(yàn)證新逆變器拓?fù)涞目煽啃?，首先?duì)逆變器主電路進(jìn)行可靠性模型分析，主要參考國軍標(biāo)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(yīng)力比影響時(shí)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(jí)的調(diào)整系數(shù);πE為環(huán)境應(yīng)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(jì)算如下：

式中：MTTF為平均壽命;f(t)為失效分布密度。

由式(5)計(jì)算得新型逆變器的平均無故障時(shí)間為61.02萬小時(shí)，而四橋臂逆變器為21.49萬小時(shí)，新型拓?fù)渚哂泻艽髢?yōu)勢。4 新型逆變器拓?fù)涞娜蒎e(cuò)性能分析

4.1 單功率管故障下電路容錯(cuò)的實(shí)現(xiàn)

單個(gè)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(duì)故障進(jìn)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(bǔ)的A橋臂，A橋臂同時(shí)承擔(dān)兩個(gè)橋臂的電能輸出。

由于a臂缺失、A臂要同時(shí)對(duì)兩個(gè)橋臂供電，將會(huì)導(dǎo)致O1，O2兩點(diǎn)電位嚴(yán)重畸變，對(duì)逆變器的工