一種模塊式冷冗余航空電力轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及航空電力裝備的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種可靠性高、成本低、結(jié)構(gòu)簡單的模塊式冷冗余航空電力轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu)，可用于航空航天、軍工、核電等高可靠性，高容錯性，高維護性，高可用性的大中功率電力轉(zhuǎn)換器領(lǐng)域，或應(yīng)用在故障發(fā)生時不能即時停機維修的情況或維修期很長的工業(yè)電力系統(tǒng)裝備領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]電力電子轉(zhuǎn)換系統(tǒng)運行的可靠性在電力系統(tǒng)里是現(xiàn)在乃至未來最關(guān)鍵也是最具有挑戰(zhàn)性的課題。特別是在航電領(lǐng)域里，作為由IGBT組成的全控型電力電子轉(zhuǎn)換系統(tǒng)，其運行的可靠性，可用性及可維修性顯得尤為重要。在故障發(fā)生的時候，由于運行條件的限制(如飛機飛行過程中)，停機維修是不現(xiàn)實的，因此，設(shè)計的航電轉(zhuǎn)換器不但需要具有很高的容錯能力，同時也會通過增加整機備份的方式來提高系統(tǒng)運行的可靠性。但這樣會極大的增加航電轉(zhuǎn)換器的體積與重量，也同時增大了飛機制造費用和飛機運營的成本。
[0003]近年來，隨著航空領(lǐng)域高效、節(jié)能的多電飛機(MEA More-Electric-Aircraft)的快速發(fā)展，人們在提高現(xiàn)有電力電子技術(shù)的電能轉(zhuǎn)換效率和魯棒性的同時，更渴望能夠解決航空電力電子轉(zhuǎn)換系統(tǒng)整機備份體積大、可靠性低、成本高等實際工程問題，開發(fā)出新型的電能轉(zhuǎn)換拓撲結(jié)構(gòu)。為了解決這一問題，各國的研究者從電氣裝置本身的故障診斷和控制策略，以及結(jié)構(gòu)的可靠性方面進行了廣泛深入的研究。雖然通過上述方式能夠取得一定的優(yōu)化效果，但都不能達到更經(jīng)濟實用的目標(biāo)。
[0004]采用全控型IGBT為開關(guān)器件的電壓型逆變器，是航空領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)之一，此電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)是飛機液壓驅(qū)動系統(tǒng)、空調(diào)、通信等設(shè)備供電系統(tǒng)中的主配電單元。其實際工作運行時的可靠性是關(guān)系到整個飛機是否能夠安全飛行的關(guān)鍵所在。對于該電力轉(zhuǎn)換裝置所產(chǎn)生的故障，由于在飛機飛行過程中不能依靠人力去即時排除故障，因此，為了保證飛機正常安全的飛行達到持續(xù)供電的目的，航空領(lǐng)域針對電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的故障問題，所采用的解決方法是傳統(tǒng)的可靠性工程的結(jié)構(gòu)容錯技術(shù)，即整機備份的方式。因此，除正常工作的電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)外，還需要對每一個電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)結(jié)構(gòu)附加一個整機備份系統(tǒng)，相應(yīng)的控制系統(tǒng)也同樣需要備份。這種方法雖然對航電配電系統(tǒng)運行可靠性有一定提高，但同樣也增加了故障系統(tǒng)和備份系統(tǒng)切換的不穩(wěn)定性，同時整機備份單元也增加了體積、重量和成本。這些特點已經(jīng)成為現(xiàn)在多電乃至全電飛機所倡導(dǎo)的綠色航空的瓶頸問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決上述技術(shù)問題，適應(yīng)多電乃至全電飛機的發(fā)展趨勢，作為航電電能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的核心結(jié)構(gòu)之一，本發(fā)明提供了一種模塊式冷冗余航空電力轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu)，不但使電力轉(zhuǎn)換器在故障發(fā)生的時候能夠在極短的時間內(nèi)達到不降額工作、不間斷供電的目的，同時也將電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)本身的容錯能力發(fā)揮到最大，從根本上解決了航電配電系統(tǒng)整機備份可靠性低、體積大、重量重、控制復(fù)雜等一系列技術(shù)難題，實際運行中完全能夠達到理想的技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟指標(biāo)。
[0006]為了達到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種模塊式冷冗余航空電力轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu)，包括直流電源E、主工作單元、冷冗余備份單元和親合連接單元，所述主工作單元和冷冗余備份單元并聯(lián)連接在直流電源E上，所述冷冗余備份單元包括兩個串聯(lián)連接的IGBT模塊，冷冗余備份單元兩個IGBT模塊的中點通過親合連接單元與主工作單元相連接；所述主工作單元每條支路兩端和冷冗余備份單元兩端均設(shè)有熔斷器，主工作單元和冷冗余備份單元上均設(shè)有驅(qū)動控制電路。
[0007]所述主工作單元包括三路并聯(lián)電路，每個并聯(lián)電路由兩個IGBT模塊串聯(lián)組成；所述主工作單元的兩個IGBT模塊的中點與負載相連接。
[0008]所述親合連接單元包括上親合連接單元和下親合連接單元，上親合連接單元和下耦合連接單元均包括三個并聯(lián)連接的二極管。
[0009]所述冷冗余備份單元支路中兩個IGBT模塊的中點為輸出點，分雙路輸出分別與上親合連接單元和下親合連接單元相連接。
[0010]所述上耦合連接單元二極管的陽極均與冷冗余備份單元兩個IGBT模塊的中點相連接，上耦合連接單元二極管的陰極與主工作單元的上部相連接；所述下耦合連接單元的陽極與主工作單元的下部相連接，下耦合連接單元的陰極與冷冗余備份單元兩個IGBT模塊的中點相連接。
[0011]所述IGBT模塊包括雙極型絕緣柵晶體管和二極管，二極管的陰極與雙極型絕緣柵晶體管的集電極相連接，二極管的陽極與雙極型絕緣柵晶體管的發(fā)射極相連接。
[0012]所述驅(qū)動控制電路與IGBT模塊相連接，驅(qū)動控制電路包括IGBT驅(qū)動控制單元和過電流檢測單元，過電流檢測單元實時的監(jiān)測IGBT模塊的過電流故障，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果決定是否停止故障支路的驅(qū)動控制單元的工作，同時將冷冗余備份單元的驅(qū)動控制單元激活來實現(xiàn)電流連續(xù)的工作狀態(tài)。
[0013]本發(fā)明的有益效果:通過采用支路備份的方式，對故障有針對性的增加簡單的冷冗余模塊的方式就可以使配電系統(tǒng)在不降低輸出功率的前提下真正達到故障前后的“無縫”切換，對電力轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)的故障定位更加準(zhǔn)確，故障單元控制信號轉(zhuǎn)換為冷冗余備份單元的控制信號更易操作，從而降低了整個系統(tǒng)二次出錯的機會。本發(fā)明不但使電力轉(zhuǎn)換器在故障發(fā)生的時候能夠在極端的時間內(nèi)達到不間斷供電的目的，同時也將電力轉(zhuǎn)換系統(tǒng)本身的容錯能力發(fā)揮到最大，從根本上解決了航電配電系統(tǒng)整機備份可靠性低、體積大、重量重、切換控制復(fù)雜等一系列技術(shù)難題，實際運行中完全能夠達到理想的技術(shù)指標(biāo)和經(jīng)濟指標(biāo)。
【附圖說明】
[0014]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0015]圖2為本發(fā)明故障前與故障后的仿真結(jié)果示意圖。
[0016]圖3為本發(fā)明構(gòu)造實驗裝置的工作波形圖。
【具體實施方式】
[0017]下面通過附圖和實施例具體描述一下本發(fā)明。
[0018]—種模塊式冷冗余航空轉(zhuǎn)換器拓撲結(jié)構(gòu)，如圖1所示，包括直流電源E 7、主工作單元1、冷冗余備份單元2和親合連接單元。所述主工作單元1和冷冗余備份單元2并聯(lián)連接在直流電源E 7上，冷冗余備份單元2包括兩個串聯(lián)連接的IGBT模塊，冷冗余備份單元2兩個IGBT模塊的中點通過親合連接單元與主工作單元1相連接。主工作單元1和冷冗余備份單元2兩端均設(shè)有熔斷器3，主工作單元1和冷冗余備份單元2上均設(shè)有驅(qū)動控制單元8ο
[0019]主工作單元1為三相電壓型逆變器拓撲結(jié)構(gòu)，包括三路并聯(lián)電路，每個并聯(lián)電路由兩個IGBT模塊串聯(lián)組成。即主工作單元1由6個IGBT模塊組成。主工作單元1的每路并聯(lián)電路的兩個IGBT模塊的中點與負載相連接。IGBT模塊包括雙極型絕緣柵晶體管和二極管，二極管的陰極與雙極型絕緣柵晶體管的集電極相連接，二極管的陽極與雙極型絕緣柵晶體管的發(fā)射極相連接。雙極型絕緣柵晶體管的功率為中等功率。主工作單元1兩端設(shè)有熔斷器3，熔斷器3為快速熔斷器，即工業(yè)保險絲，分別位于每一相的上下兩極，用來防止每一相的短路電流毀壞與之并聯(lián)的直流電源Ε 7和串聯(lián)的負載6，并將故障相與母線隔離。
[0020]冷冗余備份單元2包括兩個串聯(lián)連接的IGBT模塊，組成冷冗余備份橋臂，是與主工作單元1為三相中任意一相相同的配置結(jié)構(gòu)。冷冗余備份單元2兩個IGBT模塊的中點通過親合連接單元與主工作單元1相連接。冷冗余備份單元2兩端均設(shè)有恪斷器3，在冷冗余備份單元2的支路短路時起保護作用。
[0021 ] 親合連接單元包括上親合連接單元4和下親合連接單元5，上親合連接單元4和下耦合連接單元5均包括三個并聯(lián)連接的二極管，二極管為功率二極管。耦合連接單元包括6個功率二極管，與主體工作單元1的每一相橋臂相連的上下兩個功率二極管。冷冗余備份單元2支路中兩個IGBT模塊的中點為輸出點，分雙路輸出分別與上耦合連接單元4和下耦合連接單元5相連接。即，上親合連接單元4 二極管的陽極與冷冗余備份單元2兩個IGBT模塊的中點相連接，上耦合連接單元4二極管的陰極與主工作單元1的上部相連接；所述下親合連接單元5的陽極與主工作單元1的下部相連接，下親合連接單元5的陰極與冷冗余備份單元2兩個IGBT模塊的中點相連接。
[0022]驅(qū)動控制電路8與每一個IGBT模塊相連接，驅(qū)動控制電路8包括IGBT模塊驅(qū)動控制單元和過電流檢測單元，過電流檢測單元實時的監(jiān)測IGBT模塊的過電流故障，并根據(jù)監(jiān)測結(jié)果來判斷是否停止故障支路的IGBT驅(qū)動控制單元的工作，同時將備份支路2的IGBT驅(qū)動控制信號激活來實現(xiàn)電流連續(xù)的工作狀態(tài)。
[0023]主工作單元1的三相電路其中如果有任何一條支路發(fā)生短路故障的時候，無論產(chǎn)生短路故障的原因是由于IGBT驅(qū)動控制單元的錯誤信號，還是IGBT器件本身由于過熱或老化引起的短路情況，這種故障都會對航空電力配電系統(tǒng)造成不可挽回的巨大損失。因此在主工作單元1