CN105305801B - 一种模块式冷冗余航空电力转换器拓扑结构 - Google Patents

Abstract

本发明专利公开了一种新型模块式冷冗余型航空电力转换器拓扑结构，包括供直流电源、主工作单元、冷冗余备份单元和耦合连接单元；主工作单元和冷冗余备份单元并联连接在直流电源上，冷冗余备份单元包括两个串联连接的IGBT模块，冷冗余备份单元两个IGBT模块的中点通过耦合连接单元与主工作单元相连接；主工作单元每条支路两端和冷冗余备份单元两端均设有熔断器，主工作单元和冷冗余备份单元上均设有驱动控制电路。本发明冷冗余备份单元工作在冷冗余模式，只有在主电路检测到故障时才触发进入工作状态；其整体功率损耗小，故障检测简单可靠，故障定位准确，容错能力高，结构更加简单，故障前后电力传输“无缝”切换，且在连续工况性能上达到长时间稳定工作。

Description

一种模块式冷冗余航空电力转换器拓扑结构

技术领域

本发明涉及航空电力装备的技术领域，具体涉及一种可靠性高、成本低、结构简单的模块式冷冗余航空电力转换器拓扑结构，可用于航空航天、军工、核电等高可靠性，高容错性，高维护性，高可用性的大中功率电力转换器领域，或应用在故障发生时不能即时停机维修的情况或维修期很长的工业电力系统装备领域。

背景技术

电力电子转换系统运行的可靠性在电力系统里是现在乃至未来最关键也是最具有挑战性的课题。特别是在航电领域里，作为由IGBT组成的全控型电力电子转换系统，其运行的可靠性，可用性及可维修性显得尤为重要。在故障发生的时候，由于运行条件的限制（如飞机飞行过程中），停机维修是不现实的，因此，设计的航电转换器不但需要具有很高的容错能力，同时也会通过增加整机备份的方式来提高系统运行的可靠性。但这样会极大的增加航电转换器的体积与重量，也同时增大了飞机制造费用和飞机运营的成本。

近年来，随着航空领域高效、节能的多电飞机（MEA More-Electric-Aircraft）的快速发展，人们在提高现有电力电子技术的电能转换效率和鲁棒性的同时，更渴望能够解决航空电力电子转换系统整机备份体积大、可靠性低、成本高等实际工程问题，开发出新型的电能转换拓扑结构。为了解决这一问题，各国的研究者从电气装置本身的故障诊断和控制策略，以及结构的可靠性方面进行了广泛深入的研究。虽然通过上述方式能够取得一定的优化效果，但都不能达到更经济实用的目标。

采用全控型IGBT为开关器件的电压型逆变器，是航空领域应用最广泛的电力转换系统之一，此电力转换系统是飞机液压驱动系统、空调、通信等设备供电系统中的主配电单元。其实际工作运行时的可靠性是关系到整个飞机是否能够安全飞行的关键所在。对于该电力转换装置所产生的故障，由于在飞机飞行过程中不能依靠人力去即时排除故障，因此，为了保证飞机正常安全的飞行达到持续供电的目的，航空领域针对电力转换系统的故障问题，所采用的解决方法是传统的可靠性工程的结构容错技术，即整机备份的方式。因此，除正常工作的电力转换系统外，还需要对每一个电力转换系统结构附加一个整机备份系统，相应的控制系统也同样需要备份。这种方法虽然对航电配电系统运行可靠性有一定提高，但同样也增加了故障系统和备份系统切换的不稳定性，同时整机备份单元也增加了体积、重量和成本。这些特点已经成为现在多电乃至全电飞机所倡导的绿色航空的瓶颈问题。

发明内容

为了解决上述技术问题，适应多电乃至全电飞机的发展趋势，作为航电电能转换系统的核心结构之一，本发明提供了一种模块式冷冗余航空电力转换器拓扑结构，不但使电力转换器在故障发生的时候能够在极短的时间内达到不降额工作、不间断供电的目的，同时也将电力转换系统本身的容错能力发挥到最大，从根本上解决了航电配电系统整机备份可靠性低、体积大、重量重、控制复杂等一系列技术难题，实际运行中完全能够达到理想的技术指标和经济指标。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是：一种模块式冷冗余航空电力转换器拓扑结构，包括直流电源E、主工作单元、冷冗余备份单元和耦合连接单元，所述主工作单元和冷冗余备份单元并联连接在直流电源E上，所述冷冗余备份单元包括两个串联连接的IGBT模块，冷冗余备份单元两个IGBT模块的中点通过耦合连接单元与主工作单元相连接；所述主工作单元每条支路两端和冷冗余备份单元两端均设有熔断器，主工作单元和冷冗余备份单元上均设有驱动控制电路。

所述主工作单元包括三路并联电路，每个并联电路由两个IGBT模块串联组成；所述主工作单元的两个IGBT模块的中点与负载相连接。

所述耦合连接单元包括上耦合连接单元和下耦合连接单元，上耦合连接单元和下耦合连接单元均包括三个并联连接的二极管。

所述冷冗余备份单元支路中两个IGBT模块的中点为输出点，分双路输出分别与上耦合连接单元和下耦合连接单元相连接。

所述上耦合连接单元二极管的阳极均与冷冗余备份单元两个IGBT模块的中点相连接，上耦合连接单元二极管的阴极与主工作单元的上部相连接；所述下耦合连接单元的阳极与主工作单元的下部相连接，下耦合连接单元的阴极与冷冗余备份单元两个IGBT模块的中点相连接。

所述IGBT模块包括双极型绝缘栅晶体管和二极管，二极管的阴极与双极型绝缘栅晶体管的集电极相连接，二极管的阳极与双极型绝缘栅晶体管的发射极相连接。

所述驱动控制电路与IGBT模块相连接，驱动控制电路包括IGBT驱动控制单元和过电流检测单元，过电流检测单元实时的监测IGBT模块的过电流故障，并根据监测结果决定是否停止故障支路的驱动控制单元的工作，同时将冷冗余备份单元的驱动控制单元激活来实现电流连续的工作状态。

本发明的有益效果：通过采用支路备份的方式，对故障有针对性的增加简单的冷冗余模块的方式就可以使配电系统在不降低输出功率的前提下真正达到故障前后的“无缝”切换，对电力转换器结构的故障定位更加准确，故障单元控制信号转换为冷冗余备份单元的控制信号更易操作，从而降低了整个系统二次出错的机会。本发明不但使电力转换器在故障发生的时候能够在极端的时间内达到不间断供电的目的，同时也将电力转换系统本身的容错能力发挥到最大，从根本上解决了航电配电系统整机备份可靠性低、体积大、重量重、切换控制复杂等一系列技术难题，实际运行中完全能够达到理想的技术指标和经济指标。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明故障前与故障后的仿真结果示意图。

图3为本发明构造实验装置的工作波形图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例具体描述一下本发明。

一种模块式冷冗余航空转换器拓扑结构，如图1所示，包括直流电源E 7、主工作单元1、冷冗余备份单元2和耦合连接单元。所述主工作单元1和冷冗余备份单元2并联连接在直流电源E 7上，冷冗余备份单元2包括两个串联连接的IGBT模块，冷冗余备份单元2两个IGBT模块的中点通过耦合连接单元与主工作单元1相连接。主工作单元1和冷冗余备份单元2两端均设有熔断器3，主工作单元1和冷冗余备份单元2上均设有驱动控制单元8。

主工作单元1为三相电压型逆变器拓扑结构，包括三路并联电路，每个并联电路由两个IGBT模块串联组成。即主工作单元1由6个IGBT模块组成。主工作单元1的每路并联电路的两个IGBT模块的中点与负载相连接。IGBT模块包括双极型绝缘栅晶体管和二极管，二极管的阴极与双极型绝缘栅晶体管的集电极相连接，二极管的阳极与双极型绝缘栅晶体管的发射极相连接。双极型绝缘栅晶体管的功率为中等功率。主工作单元1两端设有熔断器3，熔断器3为快速熔断器，即工业保险丝，分别位于每一相的上下两极，用来防止每一相的短路电流毁坏与之并联的直流电源E 7和串联的负载6，并将故障相与母线隔离。

冷冗余备份单元2包括两个串联连接的IGBT模块，组成冷冗余备份桥臂，是与主工作单元1为三相中任意一相相同的配置结构。冷冗余备份单元2两个IGBT模块的中点通过耦合连接单元与主工作单元1相连接。冷冗余备份单元2两端均设有熔断器3，在冷冗余备份单元2的支路短路时起保护作用。

耦合连接单元包括上耦合连接单元4和下耦合连接单元5，上耦合连接单元4和下耦合连接单元5均包括三个并联连接的二极管，二极管为功率二极管。耦合连接单元包括6个功率二极管，与主体工作单元1的每一相桥臂相连的上下两个功率二极管。冷冗余备份单元2支路中两个IGBT模块的中点为输出点，分双路输出分别与上耦合连接单元4和下耦合连接单元5相连接。即，上耦合连接单元4二极管的阳极与冷冗余备份单元2两个IGBT模块的中点相连接，上耦合连接单元4二极管的阴极与主工作单元1的上部相连接；所述下耦合连接单元5的阳极与主工作单元1的下部相连接，下耦合连接单元5的阴极与冷冗余备份单元2两个IGBT模块的中点相连接。

驱动控制电路8与每一个IGBT模块相连接，驱动控制电路8包括IGBT模块驱动控制单元和过电流检测单元，过电流检测单元实时的监测IGBT模块的过电流故障，并根据监测结果来判断是否停止故障支路的IGBT驱动控制单元的工作，同时将备份支路2的IGBT驱动控制信号激活来实现电流连续的工作状态。

主工作单元1的三相电路其中如果有任何一条支路发生短路故障的时候，无论产生短路故障的原因是由于IGBT驱动控制单元的错误信号，还是IGBT器件本身由于过热或老化引起的短路情况，这种故障都会对航空电力配电系统造成不可挽回的巨大损失。因此在主工作单元1的每条支路的两端串联两个快速熔断器3，通过瞬间很大的短路电流来熔断快速熔断器3来达到快速隔离故障支路的方法是一种非常必要的保护措施，以此防止供电端的直流电源E7和负载受到损坏。故障支路被隔离后，通过IGBT模块、自带的过电流检测单元来检测故障是否发生，如果故障检测到了，故障支路的IGBT驱动控制单元会切断控制信号，并激活IGBT模块的IGBT驱动控制单元让其从冷待机状态进入工作状态。IGBT模块通过两个电力二极管与故障支路串联共同工作的方式来达到不改变原负载和故障支路中点连接的目的，在提高系统可靠性，不增加装置成本的基础上将此系统的容错能力发挥到最大，同时实现了不降额、不间断供电的最终目标。

从系统的角度出发，为了使系统在运行中保持供电的连续性，通常采用的方法是为整体系统预留一定的容错额度，比如，并联型双逆变器，一个主工作，另外一个处在热备用待工作状态，这样不但大大的增加了功率元器件和其控制电路的数量，增加了双逆变器在转换过程中出错的几率。由于冷冗余备份单元2是工作在热工作状态，其本身也要有功耗，它的老化速度和故障出现的概率和主电路是相同的，这样不但大大降低了系统本身可靠性和安全性的指标，而且对于设计和维护都增加了难度。

因此，本发明专利具体的工作方式可以概括为：当主体工作单元1三相电压型逆变器中的任意一相发生短路的情况下，无论这种短路是由于控制信号的错误产生的，还是由于双极型绝缘栅晶体管和二极管器件本身的问题而导致的，短路电流必定会将这一相两端的熔断器3快速熔断，该故障相则与直流电源E 7的母线隔离。另一方面IGBT模块本身的驱动控制电路会监测到IGBT模块有短路过电流流过，从而将控制信号与该故障相的两个IGBT模块断开。与此同时，冷冗余备份单元2支路的控制信号将被激活用以驱动该备份单元的两个IGBT模块，主体工作单元1中的故障相与上耦合连接单元4、下耦合连接单元5的电力二极管则开始导通，因此母线正向电流将流经冷冗余备份单元2支路的IGBT模块、上耦合连接二极管4与故障支路的IGBT，最终流入负载，反之亦然。本发明通过驱动控制单元的故障检测信号将冗余的备份单元模块激活并与故障单元串联工作，以达到连续的“零”断点工作状态。

故障出现时，传统的电力转换器为了能够保证负载能偶持续稳定的工作，通常需要将故障单元与三相主电路和备份单元隔离，形成故障单元完全与主电路的开路模式，此时电流不流经故障单元。而本发明是利用主体工作单元1其中一相支路的两个IGBT在失效模式下所呈现的稳定电特性，即IGBT模块失效后稳定的弱阻抗特性，将故障支路仅仅与主线隔离，但并不与冷冗余备份单元2隔离，而是通过简单的两个方向相反的电力二极管将冷冗余备份单元2与主体工作单元1相串联，让电流继续流过故障开关器件IGBT模块，此时的故障器件IGBT模块以近似一根导线的形式存在于工作电路中。

本发明故障前与故障后的仿真结果如图2所示。图2中上部分为与主体工作单元1相连的负载电流和负载工作电压；下图为流过冷冗余备份单元2支路的输出电流和冷冗余备份单元2支路的IGBT工作电压。具体工作过程是：故障发生之前，即第一条虚线之前，主体工作单元1的工作相输出电流为正弦波，IGBT驱动控制单元的控制信号为PWM调制信号；故障发生时至用冷冗余备份单元2支路之前，即第二条虚线之前为故障支路的隔离缓冲时间。故障单元隔离后，从第二条虚线开始，冷冗余备份单元2支路的IGBT驱动控制信号加载到冷冗余备份单元2的两个IGBT模块上，继续输出等功率的正弦电流波形，在此之前，冷冗余备份单元2支路上既没有电流流过也没有驱动控制信号，即冷冗余备份单元2支路处在冷冗余工作阶段。

为了进一步验证本发明专利所提出的拓扑结构是否能在实际工况中正常的工作，于是搭建了实验装置平台，最终得出的工作波形如图3所示。由图3可知，经过验证，所得的实验结果完全与仿真的结果吻合，真正达到了主体工作单元1和冷冗余备份单元2的“无缝”切换，使负载电流能够不降额的连续输出。因此，本发明所提出的模块式冷冗余航空电力转换器拓扑结构表现出了优良的工作特性。

此结构对电力转换器结构的故障定位更加准确，故障单元控制信号转换为备份单元的控制信号更易操作，从而降低了系统二次出错的机会；与传统的电力转换系统相比，只是增加了两个反向的二极管，从系统可靠性出发，并没有改变系统的可靠度的值；在成本方面，与传统的整机备份方式相比，此结构有效的降低了整体系统的重量和体积；对于任何一相单元故障的情况可以采用备份单元相来保持其持续工作状态，如果另外两相中的一相也发生故障，同样可以采用增加备份单元支路的方式，这种双支路备份的拓扑结构将三相主结构的容错能力（二次故障）发挥到最大值。从以上几个方面，此新型的单元冷冗余电压型逆变器拓扑结构在提高电力转换系统可靠性，降低成本方面有着不可替代的优势，同样对于航空航天等故障即时维修困难的应用领域提出了一种全新的解决方案。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种模块式冷冗余航空电力转换器拓扑结构，其特征在于，包括直流电源E（7）、主工作单元（1）、冷冗余备份单元（2）和耦合连接单元，所述主工作单元（1）和冷冗余备份单元（2）并联连接在直流电源E（7）上，所述冷冗余备份单元（2）包括两个串联连接的IGBT模块，冷冗余备份单元（2）两个IGBT模块的中点通过耦合连接单元与主工作单元（1）相连接；所述主工作单元（1）每条支路两端和冷冗余备份单元（2）两端均设有熔断器（3），主工作单元（1）和冷冗余备份单元（2）上均设有驱动控制电路（8）；所述主工作单元（1）包括三路并联电路，每个并联电路由两个IGBT模块串联组成；所述主工作单元（1）的两个IGBT模块的中点与负载（6）相连接；所述耦合连接单元包括上耦合连接单元（4）和下耦合连接单元（5），上耦合连接单元（4）包括三个共阳极的二极管，下耦合连接单元（5）包括三个共阴极的二极管；所述的上耦合连接单元（4）二极管的阳极均与冷冗余备份单元（2）两个IGBT模块的中点相连接，上耦合连接单元（4）二极管的阴极均与主工作单元（1）的上部相连接；所述下耦合连接单元（5）二极管的阳极均与主工作单元（1）的下部相连接，下耦合连接单元（5）二极管的阴极均与冷冗余备份单元（2）两个IGBT模块的中点相连接。

2.根据权利要求1所述的模块式冷冗余航空电力转换器拓扑结构，其特征在于，所述冷冗余备份单元（2）支路中两个IGBT模块的中点为输出点，分双路输出分别与上耦合连接单元（4）和下耦合连接单元（5）相连接。

3.根据权利要求1所述的模块式冷冗余航空电力转换器拓扑结构，其特征在于，所述IGBT模块包括双极型绝缘栅晶体管和二极管，二极管的阴极与双极型绝缘栅晶体管的集电极相连接，二极管的阳极与双极型绝缘栅晶体管的发射极相连接。

4.根据权利要求1所述的模块式冷冗余航空电力转换器拓扑结构，其特征在于，所述驱动控制电路（8）与IGBT模块相连接，驱动控制电路（8）包括IGBT驱动控制单元和过电流检测单元，过电流检测单元实时的监测IGBT的过电流故障，并根据监测结果决定是否停止故障支路的IGBT驱动控制单元的工作，同时将冷冗余备份单元（2）的IGBT驱动控制单元激活来实现电流连续的工作状态。