无桥臂直通风险的高可靠性双输入四象限航空静止变流器技术研究

Aiming at key technologies of aeronautical static inverters for civil aviation, this proposal will study：1) Based on two DC inputs and buck units，the constitution rules for building dual-input bi-directional pulsating voltage-source cells are studied and formed, and the building rules of high-reliability dual-input 4-quadrant aeronautical static inverters without shoot-through are proposed. Furthermore, the methods above can be extended to produce more-level topologies. Consequently, DC/AC topological theory is enriched. 2) For the purpose of reducing heat and improving reliability, the improvement schemes with no circular current in the inductors, less total inductance are presented. 3) The dual-input time-sharing modulation strategy based on two carriers is proposed, and its optimization is studied aiming at reducing switching loss and heat. 4) In order to reduce power conversion stages and utilize the input power fully, the multi-mode working scheme of the proposed topologies is proposed, and the modulation strategy is optimized by adjusting the working time of two input sources in real time. 5) The fault-tolerance mechanism and methods applicable to the proposed dual-input topology family are studied. 6) The peak current and average current weighted method is presented for better dynamic performance and less steady-state error, and the real-time calculation and the optimization of weights are studied. 7) The prototypes will be built according to airworthiness guidelines SAE ARP 4761 and RTCADO254 and the validation and experimental research work will be completed.

本项目针对航空静止变流器关键技术展开研究，：1）提出基于双输入源和双Buck的双输入双向脉动电压源单元构造机理，进一步研究无桥臂直通风险的高可靠性双输入四象限航空静止变流器拓扑构成规律，并推广至多电平拓扑，构成新的DC/AC拓扑理论；2）以降低热效应、提高可靠性为目的，提出无电感环流、总电感值小的拓扑改进方案；3）提出基于双载波的双输入分时调制思想，以减小开关损耗、降低热效应为导向，优化开关时序和调制策略；4）以减小功率传递级数、最大化利用输入源为目的，提出本项目拓扑在应用系统中的多模式运行方案，以及动态调整双输入源分时工作区间的调制策略优化方法；5）研究适用于本项目双输入拓扑族的容错机制及多种容错方法；6）提出以较高动态性能和较低静态误差为目标的峰值—平均值电流加权控制法，开展权重优化和动态解算方法研究；7）依据适航规范ARP 4754和DO 254研制样机，并开展验证与实验研究

1、项目团队已经按照计划书的内容和时间节点，完成了计划书要求的无桥臂直通风险的双输入四象限航空静止变流器拓扑机制、调制策略与优化、变流器的控制与容错技术，以及样机研制与验证等内容的研究工作；达到计划书设定的研究目标，研究成果超出计划书的要求。.2、主要研究内容、突破性工作和取得的重要结果如下：1）在无桥臂直通风险的双输入四象限航空静止变流器拓扑机制与构成规律方面取得突破，提出了单相输出2象限工作拓扑族、单相输出4象限工作拓扑族和三相输出拓扑族三个系列，形成了拓扑构建规律；提出无电感环流、总电感值小于目标的拓扑改进方案，达到降低热效应、提高可靠性目的；同时，提出多输入源、多电平输出拓扑的构成方法；形成新的DC/AC拓扑理论。2）针对本项目拓扑族，提出了基于双输入分时调制思想和基于双输入电压分扇区、分区域的矢量调制方法；研究了以减小开关损耗、降低热效应为导向的优化开关时序和调制策略；提出了峰值—平均值电流加权控制法，系统拓扑动态性能得到提升；同时，开展了一系列仿真研究和实验验证工作；3）针对本项目提出的航空静止变流器拓扑族，开展了热失效分析、优化控制，以及多目标优化方法等相关研究，提出不同的硬件容错和软件容错实施方案；解决大功率电子设备易于故障的容错工作问题。4）依据适航规范程序研制了3台原理样机，开展了实验验证研究。本项目的研究，为高可靠性大功率静止变流器的研发提供了新途径，为电力电子在航空领域的进一步应用奠定了坚实的技术基础。.3、项目培养了3名博士和5名硕士研究生，取得了如下学术成果：在国内外学术期刊发表论文共13篇，其中国外期刊论文10篇，国内重要核心期刊论文3篇；被SCI收录10篇。在国际学术会议宣读/展出论文3篇，均被EI收录；申请国家发明专利6项。