模塊化逆變電源冗余架構可靠性影響研究

張輝睿，雷秉霖

應用研究

模塊化逆變電源冗余架構可靠性影響研究

張輝睿，雷秉霖

（武漢第二船舶設計研究所，武漢 430064）

本文研究模塊化逆變電源單模塊可靠性水平，模塊化顆粒度以及任務目標對逆變電源可靠性的影響。簡化建立模塊化逆變電源任務可靠性模型，針對未開展模塊化、4個逆變模塊、8個逆變模塊的逆變電源任務可靠性進行對比分析，發(fā)現(xiàn)當逆變模塊故障率較高時，模塊化設計可能不會取得預期效果。

模塊化 逆變電源 冗余架構 可靠性

0 引言

隨著控制技術的發(fā)展和對操作性能要求的提高，許多行業(yè)的用電設備不是直接使用通用交流電網(wǎng)提供的交流電作為電源，而是通過各種形式對其進行變換，從而得到各自所需的電能形式。逆變電源通過半導體功率開關器件的開通和關斷，完成電能形式的轉(zhuǎn)換，廣泛應用于各類交通工具，如汽車、各類艦船以及飛行器，并以其低損耗、高效率、電路簡潔等顯著優(yōu)點而受到青睞。

模塊化逆變電源是逆變電源電力電子技術的重要發(fā)展方向，用系列化標準化功率等級的逆變模塊組合構成目標功率等級的電源系統(tǒng)。

模塊化并聯(lián)系統(tǒng)引入了真冗余概念，以單個模塊良好的輸出性能為基礎，采用高度數(shù)字化控制模式，系統(tǒng)間協(xié)調(diào)工作通過數(shù)據(jù)總線完成，整個系統(tǒng)中沒有主從模塊區(qū)分或中央控制器件，實現(xiàn)了每個單體模塊的獨立工作，即使在單體故障情況下也不會影響系統(tǒng)正常工作，進一步提高了系統(tǒng)可靠性和冗余程度。

查閱相關文獻，相關研究都認可模塊化并聯(lián)技術可提高逆變電源的供電可靠性，但具體模塊化設計中哪些設計參數(shù)會影響模塊化逆變電源可靠性的提升，缺乏相關研究。本文研究模塊化逆變電源單機可靠性水平，模塊化顆粒度以及任務目標對逆變電源可靠性的影響。

1 模塊化逆變電源可靠性模型

逆變電源功率變換部分采用模塊化設計。單個模塊包含完整電源部件及附件，可獨立實現(xiàn)完整電源功能。同時具有多模塊并聯(lián)供電及并聯(lián)穿越能力，全壽期多維度多模塊協(xié)調(diào)運行最優(yōu)控制機制?？蓪崿F(xiàn)智能監(jiān)控和靈活調(diào)度，從設備的冗余系統(tǒng)設計中釋放可靠性潛力。

逆變電源的設備組成主要包括：逆變模塊及其接口電路、緩起電路、監(jiān)控箱、顯示屏、傳感器組、輔助電源等部件。

圖1 模塊化逆變電源組成框圖

任務成功準則為針對額定功率為P的模塊化逆變電源，n個逆變模塊，任務周期內(nèi)至少能保證k個逆變模塊正常工作即具備功率kP/n負荷供電能力。以4個逆變模塊，至少保證3個逆變模塊為例，逆變電源的任務可靠性模型如圖2：

圖2 任務可靠性模型

2 模塊化逆變電源冗余架構可靠性影響分析

根據(jù)使用經(jīng)驗，逆變電源模塊中IGBT及其驅(qū)動電路為影響可靠性的主要故障原因。為計算簡便，現(xiàn)僅考慮IGBT及其驅(qū)動電路的可靠性指標，其他電路部分（保護電路、交流接觸器等）假設可靠度為1。同時假設不同功率等級的IGBT及其驅(qū)動電路故障率基本相同，均為。

下面以三相逆變電源為例，針對未開展模塊化的逆變電源、4模塊和8模塊逆變電源三種情況進行對比分析。

未開展模塊化的逆變電源，功率變化部分由12個IGBT單元組成，單個IGBT故障會造成設備故障，可靠度為

模塊化逆變電源功率變換模塊也由12個IGBT單元組成，可靠度為

根據(jù)任務成功判據(jù)，4個模塊組成的M4型逆變電源需3個模塊正常工作，可靠度為

8個模塊組成的M8型逆變電源需6個模塊正常工作，可靠度為

查閱文獻資料，IGBT單元故障率約為0.01次每年到0.03次每年。若考慮任務周期為120天，可分別計算1、R、2M4和2M8。如表2和圖3所示：

表1 各型號逆變電源可靠度計算值

圖3 各型號逆變電源可靠度隨IGBT單元變化率變化趨勢

根據(jù)分析結果可知，在假設不同功率等級IGBT單元故障率無明顯差別的前提下，采用模塊化主逆變電源架構，設備在120天任務周期內(nèi)任務可靠度相較于未開展模塊化型號有明顯的提高。同時，M8型任務可靠度也高于M4型。

3 故障率對模塊化逆變電源可靠性影響

計算模塊化逆變電源任務可靠度時，估計 IGBT單元及驅(qū)動電路故障率約為0.01次每年到0.03每年，來源是行業(yè)文獻資料。當IGBT單元及驅(qū)動電路故障率較高或較低時，或逆變模塊中其他電路故障率較高時，采用模塊化的冗余架構對主逆變電源可靠性有何影響，可進一步分析。

表2 各型號逆變電源可靠度計算值

圖4 逆變電源可靠度隨IGBT單元變化率變化趨勢

當IGBT故障率從0.03上升至0.07時，M8型可靠度2M8和M4型可靠度2M8下降速度顯著快于未開展模塊化的逆變電源可靠度1。由圖4容易得到，當IGBT故障率約為0.045時，M8型可靠度2M8開始小于M4型可靠度2M4；當IGBT故障率約為0.055時，M8型可靠度2M8開始小于未開展模塊化的逆變電源可靠度1；當IGBT故障率約為0.065時，M4型可靠度2M8開始小于未開展模塊化的逆變電源可靠度1。綜上，主逆變電源模塊化程度應基于單個模塊的故障率水平（或可靠性水平）。當單個模塊故障率較低時，較高的模塊化水平可提高主逆變電源的任務可靠度；但當單個模塊故障率較高時，較高的模塊化水平反而會導致逆變電源的任務可靠度降低。

逆變電源開展模塊化設計需充分考慮逆變模塊的可靠性水平，必要時通過可靠性強化試驗暴露逆變模塊的薄弱環(huán)節(jié)，提高逆變模塊的可靠性水平，保證主逆變電源任務可靠度滿足型號要求。

4 總結

本文主要研究模塊化逆變電源單模塊故障率水平，模塊化顆粒度對逆變電源可靠性的影響。在模塊故障率在正常范圍內(nèi)時，增加模塊數(shù)量可提交逆變電壓可靠性。但當逆變模塊故障率較高時，模塊化設計可能不會取得預期效果。

在模塊化逆變電源設計時，需要在綜合考慮模塊數(shù)量、模塊并聯(lián)設計難度和單個模塊故障率等因素，合理設置模塊數(shù)量，可有效提高逆變電源可靠性。

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Research on the reliability influence of the redundant architecture of modular inverter power supply

Zhang Huirui, Lei Binglin

(Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064, China)

TM462

A

1003-4862（2022）05-0019-03

2021-07-20

張輝睿（1990-），男，碩士，主要從事艦船電氣設計，電源設備可靠性設計。E-mail: 01021332@163.com