多故障容错功能的新型逆变器拓扑研究 可靠性模型分析

1 引言

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。

2 新型大功率逆变器拓扑

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。

续流二极管、直流侧电容、滤波电感、滤波电容的工作失效率计算如下：

式中：MTTF为平均寿命;f(t)为失效分布密度。

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

4.1 单功率管故障下电路容错的实现

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 作造成强大干扰，为此引入变结构干扰抑制策略，改善逆变器输出品质。根据文献中有关逆变器电磁干扰的研究，将a桥臂变压器T1的输入负端接至O2点，使b，c桥臂与O1相连，A桥臂的两个支路及B，C桥臂与O2相连，这样，一方面与O1，O2相连的桥臂数均为偶数，有利于相互消除共模干扰，另外可减少拓扑重构给O1带来的额外干扰。

4.2 多功率管故障下电路容错的实现

对于两个功率管同时故障，当两个故障功率管位于同一桥臂时，情况与单管故障相同，下面对双管故障的其他几种情况进行分析研究：

①故障功率管位于上部的不同桥臂。假如故障的两个功率管分别位于a，b两桥臂上，首先将a，b两臂从主拓扑中切除，两臂的输出分别切至A，B两臂，将 a，b桥臂变压器T1的输入负端同时接至O2点;②故障功率管位于上、下部的互补桥臂。以两个功率管分别位于a，A两桥臂为例