CN109600037B - 基于航空用的双有源桥电路的大功率dc-dc变换器及其健康管理方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种航空用的基于双有源桥电路的大功率DC‑DC变换器及其健康管理方法，变换器用于将机上额定输入270VDC的输入电压变化为28VDC额定输出电压，机载设备提供供电电源。系统基于双有源桥电路实现，具有效率高、控制方式简洁、重量轻等优势；采用4模块并联工作模式，支持最大输出功率为12kW。模块化设计不但易于实现大功率输出，而且可组成任意功率等级的电源系统，提高了电源系统的灵活性，易于实现产品系列化、平台化、标准化。变换器内部集成了健康管理技术，通过对实时采集的变换器运行时各状态参数进行分析和处理，评估所述系统的健康状态，并对内部易失效功率开关管的剩余寿命进行预测，给出维修建议，提出健康管理服务，从而提高整个系统工作的可靠性，降低维修成本。
Description
技术领域
本发明涉及电力电子领域，特别地涉及一种航空用的基于双有源桥电路的大功率DC-DC变换器及其健康管理方法。
背景技术
270V高压直流电源系统具有效率高、结构简单、能量转换效率高、功率密度高、易实现不中断供电、使用安全等优点，已成为四代机和未来五代机的主要电源体制。随着多电飞机用电负载多样性的提高，大容量的用电设备对二次电源的要求逐渐提高。现阶段中小功率的DC-DC直流变换器已不能满足现代多电飞机的发展需求，因此研究高可靠性、高效率的270V转28V大功率DC-DC变换器已成为未来航空电源系统的重大课题。
另一方面，由于航空设备的运行可靠性要求高和维修成本高的问题，飞机系统的健康状态预测及管理技术已成为国内外关注的热点。其中电源系统健康状态预测与管理主要包括电源系统劣化模型的构建与状态的在线获取及剩余使用寿命的预测。考虑到军机特殊的工作环境(高压环境、宽温度范围骤变、冲击、振动和电磁辐射)以及变换器自身运行的内部因素(浪涌电流、浪涌电压和负载的突加突卸)，这些因素常常会造成电源系统的关键模块状态参数退化，导致系统工作性能变差，引发结构性故障。其中，功率开关管和电解电容是电源系统中失效率最高的器件，而电解电容可采用薄膜电容进行替代，故功率开关管失效问题是影响电源工作性能的重要因素。因此，研究出一种可评估变换器内部功率器件工作状态及剩余使用寿命的电源健康管理方法尤为重要，是提高产品工作可靠性的关键技术。
发明内容
为解决现有技术问题，本发明提出一种航空用的基于双有源桥电路的大功率DC-DC变换器及其健康管理方法。
所提出变换器用于将机上额定输入270VDC的输入电压变化为28VDC额定输出电压，机载设备提供供电电源。系统基于双有源桥电路实现，具有效率高、控制方式简洁、重量轻等优势；采用4模块并联工作模式，支持最大输出功率为12kW。模块化设计不但易于实现大功率输出，而且可组成任意功率等级的电源系统，提高了电源系统的灵活性，易于实现产品系列化、平台化、标准化。
此外，变换器内部集成了健康管理技术，通过对实时采集的变换器运行时各状态参数进行分析和处理，评估所述系统的健康状态，并对内部易失效功率开关管的剩余寿命进行预测，给出维修建议，提出健康管理服务，从而提高整个系统工作的可靠性，降低维修成本。
本发明的技术方案为：
所述一种航空用的基于双有源桥电路的大功率DC-DC变换器，其特征在于：包括雷电防护及输入滤波电路、主功率电路、主控制器和传感器模块；
所述雷电防护及输入滤波电路输入端与机上270VDC主电源连接，对机上提供的270VDC直流电进行噪声及纹波处理，提供满足主功率电路正常工作的直流母线电压；
所述主功率电路的输入端与雷电防护及输入滤波电路连接，实现DC-DC变换器的功率传输，将270VDC主电源转换为符合性能要求的28V直流，向负载提供电能；
所述传感器模块包括电压传感器模块、电流传感器模块和温度传感器模块，采集DC-DC变换器的母线电压、输出电压、母线电流、输出电流和散热器温度，并将采集的信号输出给主控制器；
所述主控制器与机上的主控计算机、主功率电路以及传感器模块连接；主控制器采用DSP+FPGA的架构；
传感器模块采集的母线电压、母线电流和散热器温度信号经过信号调理后，送DSP芯片的片内AD进行模数转换；
传感器模块采集的输出电压、输出电流反馈信号经过信号调理后，通过并行AD转换芯片模数转换，然后数据送入FPGA，再由FPGA传送至DSP芯片；
FPGA对低位地址和DSP功能信号进行逻辑合成，生成外设的片选和控制信号；将采集到的电压、电流、温度信号以及故障信号由DSP通过RS422接口传送给主控计算机；
包括故障以及报警在内的外部中断信号送给DSP芯片的外部中断扩展口，并由DSP进行处理；
主控制器中的增强型PWM模块通过DAB移相控制输出的PWM波，经FPGA逻辑综合后送给主功率电路来控制功率桥。
进一步的优选方案，所述一种航空用的基于双有源桥电路的大功率DC-DC变换器，其特征在于：主功率电路采用4个功率模块单元并联的方式，每个功率模块单元选取统一的拓扑结构，每个功率模块单元的输出功率为3kW。
进一步的优选方案，所述一种航空用的基于双有源桥电路的大功率DC-DC变换器，其特征在于：所述功率模块单元采用双端有源桥电路作为功率变换电路，所述功率模块单元中的功率驱动电路将主控制器输出的PWM波占空比信号转换成双端有源桥电路的驱动信号。
进一步的优选方案，所述一种航空用的基于双有源桥电路的大功率DC-DC变换器，其特征在于：主控制器中采用逐周期电流、电压检测，基于滑模控制算法的电压、电流双环控制实现输出电压的恒定：通过将母线电压、母线电流、输出电压和输出电流信号实时反馈到主控制器中与基准值作差后输入到主控制器的滑模控制算法计算得到稳定的占空比。
对于上述DC-DC变换器的健康管理方法，其特征在于：
在飞机飞行时，通过机上存储器芯片实时记录DC-DC变换器的状态信息；所述状态信息包括DC-DC变换器的工作时间、DC-DC变换器的运行状态信息、变换器的工作环境参数以及DC-DC变换器运行时的故障信息；其中运行状态信息包括每一时刻的输入输出电流、电压、工作频率、输出效率、负载变化响应以及畸变频谱，工作环境参数包括工作温度、振动、冲击以及内部功率器件的温度，故障信息包括输入输出过压、输入输出过流、过热保护以及限流保护。
飞机降落后，将上一飞行阶段中机上存储器芯片所存储的状态信息通过DSP芯片下载到地面服务器，由地面服务器完成DC-DC变换器的健康预测及评估功能；
所述地面服务器由CPU和地面存储器组成；上一飞行阶段中机上存储器芯片所存储的状态信息通过DSP芯片下载到地面存储器组中；CPU中的数据记录单元记录DC-DC变换器飞行状态时的状态信息；CPU对所记录的数据进行分析，评估DC-DC变换器当前的健康状况，根据预先设计的DC-DC变换器健康预测模型对DC-DC变换器内部的元器件进行寿命评估和预测；CPU查询记录的历史状态信息，结合当前分析所得数据进行关联分析，对DC-DC变换器下次飞行时可能发生的故障进行预测。
进一步的优选方案，对于上述DC-DC变换器的健康管理方法，其特征在于：对于DC-DC变换器中的关键器件进行寿命预测与评估，所述关键器件为功率开关管：
首先采集DC-DC变换器飞行阶段存储的输出电压、输出电流和温度参数，判断变换器是否出现过压、过流以及过热保护现象；如果DC-DC变换器出现过压、过流以及过热保护现象，则根据已有的“寿命-过压”、“寿命-过流”以及“寿命-过温”曲线，计算出此周期对功率开关管的损伤程度；根据损伤程度判断功率开关管是否处于损伤状态，若处于损伤状态则查询功率开关管的历史损伤数据，综合已建立的损伤因数进行评估，对功率开关管的寿命进行评估和预测；当所评估的功率开关管寿命达到临界值T-limit时，发出寿命建议信号，给出维修建议，当寿命达到极限值时，发出更换部件预警。
有益效果
本发明的有益效果在于：
1)采用270V高压直流电源体制，满足未来多电及全电飞机高压直流电源系统需求，其中功率变换电路采用双端有源桥电路实现，使系统具有电路结构简洁、控制方式简单(双端有源桥电路软开关范围宽)、效率高、重量轻等优点；
2)采用模块化并联技术，相对单电源供电，模块化电源并联系统不仅易于实现大功率输出，而且还具有以下优点：功率器件的电流应力减小，可实现冗余供电，提高了变换器工作的可靠性；模块电源的开关频率高，从而提高了整个电源系统的功率密度；模块电源可组成任意功率等级的电源系统，提高了系统工作的灵活性，本发明采取4个功率模块并联模式，模块选取统一的拓扑结构，每个模块的输出功率为3kW，变换器最大输出功率可达到12kW。总而言之，模块化设计易于实现产品系列化、平台化、标准化。
3)变换器内部集成了健康管理技术，通过对实时采集的变换器运行时各状态参数进行分析和处理，评估所述系统的健康状态，并对内部易失效功率开关管的剩余寿命进行预测，给出维修建议，提出健康管理服务，从而提高整个系统工作的可靠性，降低维修成本。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是基于双有源桥电路的大功率DC-DC变换器原理框图。
图2是DC-DC变换器健康状管理技术框图。
图3是DC-DC变换器功率开关管寿命预测与评估的具体实现流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明提出基于双有源桥电路的大功率DC-DC变换器及其健康管理方法，主要适用于多电及全电飞机高压直流电源系统中，用于将机上270VDC主电源转换为符合性能要求的28V直流，向负载提供电能。DC-DC变换器采用4路双有源桥电路并联工作模式，每路输出功率为3kW，支持最大输出功率为12kW。同时，变换器内部集成了健康管理功能，结合过压、过流及过热三种故障模式下对功率开关管的剩余寿命的影响，给出维修建议，提出健康管理服务。
如图1所示，基于双有源桥电路的大功率DC-DC变换器包括：雷电防护及输入滤波电路、主功率电路、传感器模块和主控制器。其中四路功率模块电路选用并联输出工作模式，每路功率模块电路包括主功率变换电路和功率驱动电路；主控制器用于实现信号处理、控制算法、时序逻辑运算、软件保护功能和管理等功能。
雷电防护及输入滤波电路，该模块的输入端与外部270VDC主电源连接，对机上提供的270VDC直流电源进行噪声及纹波处理，提供满足主功率电路正常工作的直流母线电压。
主功率电路，该模块的输入端与雷电防护及输入滤波电路连接，用于实现DC-DC变换器的功率传输，将270VDC主电源转换为符合性能要求的28V直流，向负载提供电能。
主功率电路采取多模块电源并联方式，即分为4个功率模块并联，模块选取统一的拓扑结构，每个模块的输出功率为3kW。
主功率电路将输入270V的直流电转换为28V直流电，额定输出电流为100A，功率变换电路采用电路结构简洁、软开关范围宽以及效率高的双端有源桥电路来实现；功率驱动电路用于将控制器经控制算法得到的占空比信号转换成功率开关管的驱动信号。
传感器模块，主要包括电压传感器模块、电流传感器模块和温度传感器模块，采集母线电压、输出电压、母线电流、输出电流和散热器温度，以上的模拟信号送入主控制器经信号调理电路调理后进行处理和逻辑运算，完成主控制器的控制和保护功能。
主控制器，该模块与机上的主控计算机和产品内部的功率驱动电路及传感器模块相连接。主控制器采用DSP+FPGA的架构，主要完成以下功能：
1、传感器检测模块检测到的母线电压、母线电流和散热器温度的模拟信号经信号调理电路调理后，送DSP芯片JDSP2812的片内AD进行模数转换；
2、输出电压、输出电流经信号调理电路调理后，送入并行AD转换芯片SAD9243MQ进行模数转换，然后数据送至FPGA，再由FPGA传送至JDSP2812；
3、可编程逻辑器件(FPGA)JQV300对低位地址和JDSP2812功能信号进行逻辑合成，使用优化的单PWM加移相控制算法，生成外设的片选和控制信号；电压、电流、温度、故障的信息由JDSP2812通过RS422接口传送给上位机；
4、串口通信采用AD公司推出的磁隔离通信芯片ADuM2587E，进行RS-422通讯方式，该通讯芯片速率可达500kbps；同时预留一路隔离RS232通讯，采用AD公司推出的磁隔离芯片ADM3251E，该芯片通信速率可达460kbps；
5、故障报警等外部中断信号送给JDSP2812外部中断扩展口(PIE)，让JDSP2812作相应的处理和数据存储；增强型PWM模块通过DAB移相控制输出的PWM波，经FPGA逻辑综合后送给功率驱动模块来控制功率桥。
变换器采用逐周期电流、电压检测，基于滑模控制算法的电压、电流双环控制实现输出电压的恒定。通过将母线电压、母线电流、输出电压和输出电流信号实时反馈到控制电路内部与基准值作差后输入到主控制器模块的滑模控制算法系统计算得到稳定的占空比，保证了变换器在参数不确定的情况下，仍具有良好的鲁棒性、稳定性和良好的动态品质。
主控制器实现了通信、信号处理、控制算法、时序逻辑运算、软件保护功能、数据存储和管理功能。
基于双有源桥电路的大功率DC-DC变换器还具有健康状态预测及管理功能，如图2所示，通过地面服务器评估变换器的工作状态并进行健康管理。
飞机运行时，由机上FLASH/EPROM存储器芯片实时记录变换器的各个状态信息，这些状态信息包括：变换器的工作时间、变换器的运行状态信息(包括具体每一时刻的输入输出电流、电压、工作频率、输出效率、负载变化响应以及畸变频谱)、变换器的工作环境参数(包括工作温度、振动、冲击以及内部功率器件的温度参数)以及运行时的各种故障信息(包括输入输出过压、输入输出过流、过热保护以及限流保护)。其中，变换器的各种状态信息通过采集安装在变换器内部的传感器信号所得。所涉及的传感器信号主要包括：温度参数、电压参数、电流参数和振动参数。
飞机降落后，将上一飞行阶段变换器内部FLASH/EPROM存储器芯片所存储的各个状态信息通过DSP芯片下载到地面服务器，由地面服务器完成变换器的健康预测及评估功能。
地面服务器由高性能CPU和地面FLASH/EPROM存储器组成，主要完成以下功能：
1)将变换器飞行阶段存储的各个状态信息通过DSP芯片下载到地面服务器内的FLASH/EPROM存储器中；
2)高性能CPU中的数据记录单元记录变换器飞行状态时的状态参数、异常和故障日志；
3)高性能CPU对所记录的数据进行分析，评估变换器当前的健康状况，根据预先设计的变换器健康预测模型对其内部的关键元器件进行寿命评估和预测；
4)进行数据挖掘，查询数据库中历史状态信息及故障信息，结合当前分析所得数据进行关联分析，对变换器的变换器下次飞行时可能发生的故障进行预测。
图3为本发明中变换器内部功率开关管寿命预测与评估的具体实施流程图。
1)采集变换器飞行阶段存储的输出电压、输出电流和温度的具体参数，判断变换器是否出现过压、过流以及过热保护现象；
2)当变换器出现过压、过流以及过热保护现象时，根据动态数据库中建立的“寿命-过压”、“寿命-过流”以及“寿命-过温”曲线，计算出此周期对功率开关管的损伤程度；
3)根据损伤程度判断功率开关管是否处于损伤状态，若否则程序结束，判定变换器工作状态良好；若是则查询数据库中功率开关管的历史损伤数据，综合数据库中所建立的损伤因数进行评估，对功率开关管的寿命进行评估和预测；
4)当所评估的功率开关管寿命达到临界值T-limit时，发出寿命建议信号，给出维修建议；当寿命达到极限值零时，发出更换部件预警。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (5)
1.一种航空用的基于双有源桥电路的大功率DC-DC变换器的健康管理方法，其特征在于：
在飞机飞行时，通过机上存储器芯片实时记录DC-DC变换器的状态信息；所述状态信息包括DC-DC变换器的工作时间、DC-DC变换器的运行状态信息、变换器的工作环境参数以及DC-DC变换器运行时的故障信息；其中运行状态信息包括每一时刻的输入输出电流、电压、工作频率、输出效率、负载变化响应以及畸变频谱，工作环境参数包括工作温度、振动、冲击以及内部功率器件的温度，故障信息包括输入输出过压、输入输出过流、过热保护以及限流保护；
飞机降落后，将上一飞行阶段中机上存储器芯片所存储的状态信息通过DSP芯片下载到地面服务器，由地面服务器完成DC-DC变换器的健康预测及评估功能；
所述地面服务器由CPU和地面存储器组成；上一飞行阶段中机上存储器芯片所存储的状态信息通过DSP芯片下载到地面存储器组中；CPU中的数据记录单元记录DC-DC变换器飞行状态时的状态信息；CPU对所记录的数据进行分析，评估DC-DC变换器当前的健康状况，根据预先设计的DC-DC变换器健康预测模型对DC-DC变换器内部的元器件进行寿命评估和预测；CPU查询记录的历史状态信息，结合当前分析所得数据进行关联分析，对DC-DC变换器下次飞行时可能发生的故障进行预测；
所述DC-DC变换器包括雷电防护及输入滤波电路、主功率电路、主控制器和传感器模块；
所述雷电防护及输入滤波电路输入端与机上270VDC主电源连接，对机上提供的270VDC直流电进行噪声及纹波处理，提供满足主功率电路正常工作的直流母线电压；
所述主功率电路的输入端与雷电防护及输入滤波电路连接，实现DC-DC变换器的功率传输，将270VDC主电源转换为符合性能要求的28V直流，向负载提供电能；
所述传感器模块包括电压传感器模块、电流传感器模块和温度传感器模块，传感器模块采集DC-DC变换器的母线电压、输出电压、母线电流、输出电流和散热器温度，并将采集的信号输出给主控制器；
所述主控制器与机上的主控计算机、主功率电路以及传感器模块连接；主控制器采用DSP+FPGA的架构；
传感器模块采集的母线电压、母线电流和散热器温度信号经过信号调理后，送DSP芯片的片内AD进行模数转换；
传感器模块采集的输出电压、输出电流反馈信号经过信号调理后，通过并行AD转换芯片模数转换，然后数据送入FPGA，再由FPGA传送至DSP芯片；
FPGA对低位地址和DSP功能信号进行逻辑合成，生成外设的片选和控制信号；将采集到的电压、电流、温度信号以及故障信号由DSP通过RS422接口传送给主控计算机；
包括故障以及报警在内的外部中断信号送给DSP芯片的外部中断扩展口，并由DSP进行处理；
主控制器中的增强型PWM模块通过DAB移相控制输出的PWM波，经FPGA逻辑综合后送给主功率电路来控制功率桥。
2.根据权利要求1所述一种航空用的基于双有源桥电路的大功率DC-DC变换器的健康管理方法，其特征在于：主功率电路采用4个功率模块单元并联的方式，每个功率模块单元选取统一的拓扑结构，每个功率模块单元的输出功率为3kW。
3.根据权利要求2所述一种航空用的基于双有源桥电路的大功率DC-DC变换器的健康管理方法，其特征在于：所述功率模块单元采用双端有源桥电路作为功率变换电路，所述功率模块单元中的功率驱动电路将主控制器输出的PWM波占空比信号转换成双端有源桥电路的驱动信号。
4.根据权利要求1所述一种航空用的基于双有源桥电路的大功率DC-DC变换器的健康管理方法，其特征在于：主控制器中采用逐周期电流、电压检测，基于滑模控制算法的电压、电流双环控制实现输出电压的恒定：通过将母线电压、母线电流、输出电压和输出电流信号实时反馈到主控制器中与基准值作差后，利用主控制器中的滑模控制算法计算得到稳定的占空比。
5.根据权利要求1所述一种航空用的基于双有源桥电路的大功率DC-DC变换器的健康管理方法，其特征在于：对于DC-DC变换器中的关键器件进行寿命预测与评估，所述关键器件为功率开关管：
首先采集DC-DC变换器飞行阶段存储的输出电压、输出电流和温度参数，判断变换器是否出现过压、过流以及过热保护现象；如果DC-DC变换器出现过压、过流以及过热保护现象，则根据已有的“寿命-过压”、“寿命-过流”以及“寿命-过温”曲线，计算出此周期对功率开关管的损伤程度；根据损伤程度判断功率开关管是否处于损伤状态，若处于损伤状态则查询功率开关管的历史损伤数据，综合已建立的损伤因数进行评估，对功率开关管的寿命进行评估和预测；当所评估的功率开关管寿命达到临界值T-limit时，发出寿命建议信号，给出维修建议，当寿命达到极限值时，发出更换部件预警。
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