[发明专利]一种模块化多电平功率放大器冗余度设计方法

权利要求书

1.一种模块化多电平功率放大器冗余度设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：建立功率模块可靠性的数学模型和功率模块损耗特性的数学模型；

步骤2：利用上述数学模型建立模块化多电平功率放大器关于冗余的可靠性目标函数、损耗特性目标函数；

步骤3：选取可靠性和功率损耗的权重系数，得到最终的可靠性目标函数和损耗特性目标函数；

步骤4：利用多目标粒子群优化算法计算出模块化多电平功率放大器可靠性目标函数和损耗特性目标函数的共同最优结果；

步骤5：利用所述共同最优结果计算出同时满足可靠性、损耗特性的冗余数量m，并得出模块化多电平功率放大器的最佳冗余度；

总的功率模块可靠性的数学模型表达式为：其中，i为故障功率模块数量，m为冗余功率模块数量，N为总的功率模块数量；R_SM(t)＝R_SA(t)×R_SD(t)为单个功率模块可靠性；前级AC/DC可靠性；为后级DC/AC可靠性；为IGBT的可靠性，λ_I为IGBT的故障率；为二极管的可靠性，λ_D为二极管的故障率；为电容的可靠性，λ_C为电容的故障率；为电感的可靠性，λ_L为电感的故障率；

所述第i个功率模块损耗特性的数学模型表达式为：

f_sw为开关频率；N_α，N_β和N_γ分别是计算开通、关断、恢复时开关动作的数量；(t_α,t_β,t_γ)是指每个切换时刻，E_on,E_off,E_rec为厂商提供的器件开关能量；v_CE,off(t_α)为IGBT在切换时刻t_α的导通电压,v_CE,off(t_β)为IGBT在切换时刻t_β的导通电压,v_F,off(t_γ)二极管在切换时刻t_γ的导通电压，v_CE,ref为测试电压；为输出实际电流和电压之间的相角，t_d为死区时间，M为调制比，s为载波移相的角度，T_s为工作周期，V_ce0(T_vj)为在节温T_vj下的门槛电压，R_ce(T_vj)为IGBT在节温T_vj下通态等效电阻，v_ce(t)和v_f(t)分别为IGBT和快恢复二极管的实际导通压降；i_c(t)为IGBT输出电流，i_F(t)为二极管输出电流，f₀为基波频率；

可靠性目标函数R_M(m)、损耗特性目标函数P_m(m)的表达式为：

其中，表示从N个不同元素中取出i个元素的组合数，R_SM为功率模块可靠性的数学模型；P_totol为功率模块损耗特性的数学模型。

2.根据权利要求1所述的模块化多电平功率放大器冗余度设计方法，其特征在于，最终的目标函数F的表达式为：F＝ω₁P_m(m)+ω₂R_M(m)；其中，ω₁、ω₂为权重系数，R_M(m)为可靠性目标函数；P_m(m)为损耗特性目标函数。

3.根据权利要求1所述的模块化多电平功率放大器冗余度设计方法，其特征在于，步骤4的具体实现过程包括：

1)初始化粒子群体；

2)计算每个粒子所代表多目标优化方案的两个目标值P_m(m)和R_M(m)：R_M(m)为可靠性目标函数；P_m(m)为损耗特性目标函数；

3)根据Pareto最优概念更新每个粒子的个体最优值，即在粒子的当前位置和历史最优位置中选择一个非劣解作为粒子的个体最优值，如二者无支配关系则保持个体最优值不变；

4)根据粒子的序值挑选当前种群中序值较小的粒子，存入外部档案库，删除其中的非劣解；

5)更新每个粒子的速度和位置；

6)判断是否达到最大迭代次数，若达到，则输出非劣解；否则转到步骤2)；

7)对档案库中的非劣解进行N-1校验，输出所有满足N-1安全的多目标优化方案，即共同最优结果。