模塊化逆變電源冗余架構(gòu)可靠性影響研究

張輝睿，雷秉霖

應(yīng)用研究

模塊化逆變電源冗余架構(gòu)可靠性影響研究

張輝睿，雷秉霖

（武漢第二船舶設(shè)計(jì)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(wù)目標(biāo)對(duì)逆變電源可靠性的影響。簡(jiǎn)化建立模塊化逆變電源任務(wù)可靠性模型，針對(duì)未開展模塊化、4個(gè)逆變模塊、8個(gè)逆變模塊的逆變電源任務(wù)可靠性進(jìn)行對(duì)比分析，發(fā)現(xiàn)當(dāng)逆變模塊故障率較高時(shí)，模塊化設(shè)計(jì)可能不會(huì)取得預(yù)期效果。

模塊化 逆變電源 冗余架構(gòu) 可靠性

0 引言

隨著控制技術(shù)的發(fā)展和對(duì)操作性能要求的提高，許多行業(yè)的用電設(shè)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(duì)其進(jìn)行變換，從而得到各自所需的電能形式。逆變電源通過半導(dǎo)體功率開關(guān)器件的開通和關(guān)斷，完成電能形式的轉(zhuǎn)換，廣泛應(yīng)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(jiǎn)潔等顯著優(yōu)點(diǎn)而受到青睞。

模塊化逆變電源是逆變電源電力電子技術(shù)的重要發(fā)展方向，用系列化標(biāo)準(zhǔn)化功率等級(jí)的逆變模塊組合構(gòu)成目標(biāo)功率等級(jí)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(gè)模塊良好的輸出性能為基礎(chǔ)，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(gè)系統(tǒng)中沒有主從模塊區(qū)分或中央控制器件，實(shí)現(xiàn)了每個(gè)單體模塊的獨(dú)立工作，即使在單體故障情況下也不會(huì)影響系統(tǒng)正常工作，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)可靠性和冗余程度。

查閱相關(guān)文獻(xiàn)，相關(guān)研究都認(rèn)可模塊化并聯(lián)技術(shù)可提高逆變電源的供電可靠性，但具體模塊化設(shè)計(jì)中哪些設(shè)計(jì)參數(shù)會(huì)影響模塊化逆變電源可靠性的提升，缺乏相關(guān)研究。本文研究模塊化逆變電源單機(jī)可靠性水平，模塊化顆粒度以及任務(wù)目標(biāo)對(duì)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(shè)計(jì)。單個(gè)模塊包含完整電源部件及附件，可獨(dú)立實(shí)現(xiàn)完整電源功能。同時(shí)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(yùn)行最優(yōu)控制機(jī)制。可實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控和靈活調(diào)度，從設(shè)備的冗余系統(tǒng)設(shè)計(jì)中釋放可靠性潛力。

逆變電源的設(shè)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(wù)成功準(zhǔn)則為針對(duì)額定功率為P的模塊化逆變電源，n個(gè)逆變模塊，任務(wù)周期內(nèi)至少能保證k個(gè)逆變模塊正常工作即具備功率kP/n負(fù)荷供電能力。以4個(gè)逆變模塊，至少保證3個(gè)逆變模塊為例，逆變電源的任務(wù)可靠性模型如圖2：

圖2 任務(wù)可靠性模型

2 模塊化逆變電源冗余架構(gòu)可靠性影響分析

根據(jù)使用經(jīng)驗(yàn)，逆變電源模塊中IGBT及其驅(qū)動(dòng)電路為影響可靠性的主要故障原因。為計(jì)算簡(jiǎn)便，現(xiàn)僅考慮IGBT及其驅(qū)動(dòng)電路的可靠性指標(biāo)，其他電路部分（保護(hù)電路、交流接觸器等）假設(shè)可靠度為1。同時(shí)假設(shè)不同功率等級(jí)的IGBT及其驅(qū)動(dòng)電路故障率基本相同，均為。

下面以三相逆變電源為例，針對(duì)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(jìn)行對(duì)比分析。

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

模塊化逆變電源功率變換模塊也由12個(gè)IGBT單元組成，可靠度為

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

8個(gè)模塊組成的M8型逆變電源需6個(gè)模塊正常工作，可靠度為

查閱文獻(xiàn)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(wù)周期為120天，可分別計(jì)算1、R、2M4和2M8。如表2和圖3所示：

表1 各型號(hào)逆變電源可靠度計(jì)算值

圖3 各型號(hào)逆變電源可靠度隨IGBT單元變化率變化趨勢(shì)

根據(jù)分析結(jié)果可知，在假設(shè)不同功率等級(jí)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(gòu)，設(shè)備在120天任務(wù)周期內(nèi)任務(wù)可靠度相較于未開展模塊化型號(hào)有明顯的提高。同時(shí)，M8型任務(wù)可靠度也高于M4型。

3 故障率對(duì)模塊化逆變電源可靠性影響

計(jì)算模塊化逆變電源任務(wù)可靠度時(shí)，估計(jì) IGBT單元及驅(qū)動(dòng)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(xiàn)資料。當(dāng)IGBT單元及驅(qū)動(dòng)電路故障率較高或較低時(shí)，或逆變模塊中其他電路故障率較高時(shí)，采用模塊化的冗余架構(gòu)對(duì)主逆變電源可靠性有何影響，可進(jìn)一步分析。

表2 各型號(hào)逆變電源可靠度計(jì)算值

圖4 逆變電源可靠度隨IGBT單元變化率變化趨勢(shì)

當(dāng)IGBT故障率從0.03上升至0.07時(shí)，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(dāng)IGBT故障率約為0.045時(shí)，M8型可靠度2M8開始小于M4型可靠度2M4；當(dāng)IGBT故障率約為0.055時(shí)，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(dāng)IGBT故障率約為0.065時(shí)，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(yīng)基于單個(gè)模塊的故障率水平（或可靠性水平）。當(dāng)單個(gè)模塊故障率較低時(shí)，較高的模塊化水平可提高主逆變電源的任務(wù)可靠度；但當(dāng)單個(gè)模塊故障率較高時(shí)，較高的模塊化水平反而會(huì)導(dǎo)致逆變電源的任務(wù)可靠度降低。

逆變電源開展模塊化設(shè)計(jì)需充分考慮逆變模塊的可靠性水平，必要時(shí)通過可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)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(wù)可靠度滿足型號(hào)要求。

4 總結(jié)

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(duì)逆變電源可靠性的影響。在模塊故障率在正常范圍內(nèi)時(shí)，增加模塊數(shù)量可提交逆變電壓可靠性。但當(dāng)逆變模塊故障率較高時(shí)，模塊化設(shè)計(jì)可能不會(huì)取得預(yù)期效果。

在模塊化逆變電源設(shè)計(jì)時(shí)，需要在綜合考慮模塊數(shù)量、模塊并聯(lián)設(shè)計(jì)難度和單個(gè)模塊故障率等因素，合理設(shè)置模塊數(shù)量，可有效提高逆變電源可靠性。

[1] 馮北寧. 模塊化結(jié)構(gòu)可并聯(lián)逆變器系統(tǒng)的可靠性分析[J]. 郵電商情, 2020, 19: 50-52.

[2] 陳志. 并聯(lián)逆變電源獨(dú)立供電系統(tǒng)的控制與保護(hù)策略研究[D]. 重慶: 重慶大學(xué), 2009.

[3] 李慧斌. 多模塊并聯(lián)交流電源控制技術(shù)研究[D]. 哈爾濱: 哈爾濱工程大學(xué), 2011.

[4] 周陽. 基于DC-DC模塊并聯(lián)的智慧電源系統(tǒng)研究[D]. 武漢: 華中科技大學(xué), 2016.

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(shè)計(jì)，電源設(shè)備可靠性設(shè)計(jì)。E-mail: 01021332@163.com