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多故障容错功能的新型逆变器拓扑研究 可靠性模型分析

归档日期:04-25       文本归类:多故障      文章编辑:爱尚语录

  多、全电飞机是新型战机的主要特征。多、全电飞机具有大容量供电系统和广泛采用电力作动技术的特点,供电系统的可靠性至关重要。目前飞机采用余度技术以保证高可靠性,即由两套独立的主电源、一套备用电源、一套应急电源构成飞机的四余度供电。关键设备采用四余度供电,重要设备采用三余度供电,一般用电设备采用单余度供电。余度供电在保证供电系统高可靠性的同时,也使供电系统结构非常复杂。

  提高设备本身对故障的容错性可减少余度设计,简化系统结构,节省飞机宝贵空间及其他资源。逆变电源是将飞机发电机输出的直流电转变为所需交流电的设备,由于含有大量开关器件,其可靠性明显低于高压直流发电机系统,因而研究逆变器的容错性拓扑结构,对减少供电系统的余度设计具有很大的实际意义。

  文献提出一种容错的多电平逆变器,具有功率管电压低、容错性能优越的特点,但其控制复杂难以实现。文献究了三相四桥臂逆变器,具有控制简单,易于实现的优点,但随着飞机电源系统所需功率的剧增,每个功率管承受的电压成倍增加,在同样性能和外界环境下,每个桥臂具有相近的故障率,从而使三相四桥臂逆变器利用一个冗余桥臂实现容错不够可靠。为此,这里提出一种新的逆变器拓扑结构,具有功率管关断电压低、容错性能好、寿命长的优点,仿真结果证明了其良好性能。

  图1示出所提出的具有多故障容错功能的新型大功率逆变器拓扑。该电路优点是正常工作状态下,每个功率管承受的关断电压为直流母线电压 Udc的一半,有助于减小开关损耗,提高输出电压品质,降低开关管故障率,延长开关管寿命。低的功率管关断电压也使新型拓扑可用于大功率场合。为便于描述,将逆变器a,b,c三臂统称为上部,A,B,C三臂统称为下部。

  如图1所示,C1,C2为直流侧箝位电容,中点o的电位工作前为Udc/2,T1,T2为两个变比为1:1的三相变压器,具有隔离和消除干扰的作用。 Ra,La,Ca分别为滤波电阻、电感和电容。正常工作时,由于上部三臂与下部三臂对称,且a与A,b与B,c与C互补,此拓扑对于逆变器多桥臂(不多于 3个)同时故障均可容错,上、下部互补工作能抵消各自共模电压对中点电位的影响,减少干扰。3 新型逆变器可靠性模型分析

  为验证新逆变器拓扑的可靠性,首先对逆变器主电路进行可靠性模型分析,主要参考国军标GJB/Z299C。

  如图1所示,不考虑元器件间连线、滤波电阻及变压器,逆变器主要由直流母线电容、IGBT、续流二极管和LC滤波电路组成,直流电压270 V,IGBT额定电压450 V,额定电流30 A,工作结温为110 ℃,续流二极管额定电压1 kV,电流100 A,结温50℃,环境温度40 ℃,直流侧电容容量3 300μF。IGBT工作失效率为:

  式中:λb为由温度和电应力比影响时的失效率,此类器件λb=0.74 Fit;Ti为器件结温;πA为器件功能的影响因数;Pr为额定功率;Uce为直流电压;Uceo为额定电压;πQ为质量等级的调整系数;πE为环境应力的调整系数。

  由式(5)计算得新型逆变器的平均无故障时间为61.02万小时,而四桥臂逆变器为21.49万小时,新型拓扑具有很大优势。4 新型逆变器拓扑的容错性能分析

  单个功率管发生故障,假如功率管Va1故障,首先利用快速故障诊断算法对故障进行定位,由隔离电路迅速将故障管所在的桥臂整体从电路中切除,然后将a桥臂输出切换到与其互补的A桥臂,A桥臂同时承担两个桥臂的电能输出。

  由于a臂缺失、A臂要同时对两个桥臂供电,将会导致O1,O2两点电位严重畸变,对逆变器的工

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