多故障容错功能的新型逆变器拓扑研究

摘要：针对飞机供电系统余度设计占用了飞机大量体积、资源的问题，提出一种具有多故障容错功能的新型逆变器拓扑，可减少飞机余度设计。通过可靠性模型分析，证明新型逆变器相比三相四桥臂逆变器具有功率管关断电压低、寿命长、容错性和可靠性好的优点。详细研究了改进型拓扑在单功率管、双功率管和三功率管故障情况下的各种容错运行方案，提出了变结构干扰抑制概念，解决了拓扑重构带来的电磁干扰，最后通过仿真和实验对新型拓扑及其容错方案进行了验证。
关键词：逆变器；容错；电磁干扰；故障

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。