[发明专利]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

权利要求书

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。