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两桥臂为例进行分析，这种情况较为复杂，不仅要重构拓扑，且要对相关桥臂的控制信号进行适当切换，但无需改变控制器结构;③故障功率管位于上、下部非互补桥臂。若故障管位于a臂和B臂，切除故障桥臂后，将a臂的输出切至A臂，B臂的输出切至b臂，变压器侧无需重构。

当三个故障功率管位于两个桥臂时，与双管故障情况相同。此处对三管分别位于三臂的情况进行分析，以a，b，c三臂故障为例，将桥臂a，b，c输出分别切至A，B，C三臂，为减少拓扑重构带来的干扰，将a，b，c的变压器输入负端均接至O2。

5 仿真与实验验证

以图1为例进行仿真，Udc=270 V，C=8 800μF，滤波电感L=100μH，滤波电阻R=25 mΩ，额定频率为400 Hz。仿真结果如图2所示，其中图2a为逆变器正常工作时三相输出电压u和相对误差ue波形;图2b为单管故障后，主拓扑重构但无变结构干扰抑制策略时的三相输出电压波形中点电位uC，由于较强的电磁干扰，三相电压严重失衡;图2c为逆变器单管故障通过主拓扑重构及抗干扰处理后的三相电压及相对误差;图 2d为双管故障容错方案①的三相输出电压和相对误差;图2e为三管故障容错电压及相对误差。

实验平台基于TMS3201F2407和EHC6Q240。三相电流检测电路由电流传感器、偏置电路和限幅电路组成。交流电压采集电路包括交流电压传感器、偏置电路和限幅电路，交流电压传感器采用交流互感器，实验结果如图3所示，图3a为正常状态直接功率预测控制的逆变器三相输出电压，图3b为单管故障后逆变器的容错输出电压。

6 结论

这里提出一种新型逆变器拓扑结构，正常工作时开关管承受的关断电压可成倍降低，针对新拓扑电容中点电位难以平衡的问题，对拓扑进行了改进，改进后的电路对多管同时故障具有良好的容错性能，但仅通过主拓扑的重构难以保持逆变器良好的输出，此处提出的变结构干扰抑制策略可有效降低干扰，改善逆变器容错后输出电压的品质。