一种模块式冷冗余航空电力转换器拓扑结构的制作方法
【技术领域】
[0001]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】
[0002]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。
[0003]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。
[0004]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】
[0005]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。
[0006]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、冷冗余备份单元和親合连接单元，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模块的中点通过親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。
[0007]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。
[0008]所述親合连接单元包括上親合连接单元和下親合连接单元，上親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。
[0009]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親合连接单元和下親合连接单元相连接。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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。
[0013]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】
[0014]图1为本发明的结构示意图。
[0015]图2为本发明故障前与故障后的仿真结果示意图。
[0016]图3为本发明构造实验装置的工作波形图。
【具体实施方式】
[0017]下面通过附图和实施例具体描述一下本发明。
[0018]—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和親合连接单元。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模块的中点通过親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8ο
[0019]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Ε 7和串联的负载6，并将故障相与母线隔离。
[0020]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模块的中点通过親合连接单元与主工作单元1相连接。冷冗余备份单元2两端均设有恪断器3，在冷冗余备份单元2的支路短路时起保护作用。
[0021 ] 親合连接单元包括上親合连接单元4和下親合连接单元5，上親合连接单元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，上親合连接单元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；所述下親合连接单元5的阳极与主工作单元1的下部相连接，下親合连接单元5的阴极与冷冗余备份单元2两个IGBT模块的中点相连接。
[0022]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。
[0023]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