[发明专利]一种模块化多电平功率放大器冗余度设计方法

说明书

本发明公开了一种模块化多电平功率放大器冗余度设计方法，在选取冗余模块的数量时，针对功率放大器的可靠性、功率损耗特性分别建立数学模型，并以可靠性，功率损耗特性为目标建立关于冗余的目标函数，合理选取可靠性和功率损耗的权重系数，利用多目标粒子群优化算法计算出同时能同时满足模块化多电平功率放大器可靠性高、损耗小时的冗余功率模块数量，得出模块化多电平功率放大器的最佳冗余度，使模块化多电平功率放大器能同时兼顾可靠性和损耗特性的要求。

技术领域

本发明涉及模块化多电平功率放大器领域，特别是一种模块化多电平功率放大器冗余度设计方法。

背景技术

海洋蕴藏有丰富的矿产和生物资源，是人类赖以生存的资源宝库，各个国家都在逐步加大对海洋开发和研究力度。海洋作为国家疆域的一部分，而我国海洋面积约300万平方公里，展开海洋战略研究具有极其重要的军事意义。海洋装备作为我国国民经济和国防建设的重要支撑，已经引起越来越多的重视。

传统的功率放大器采用的是线性功率放大器，虽然能够满足信号失真度的要求，但发射机的效率低、体积大，难以应用于高压大功率的场合；大功率功率放大器的研究是我国海洋安全的重要技术保证，也是海军军事侦测的关键技术支撑，针对高压大容量场合，通常采用模块化多电平功率放大器的拓扑结构，主要由两部分构成，一部分为AC/DC功率模块，另一部分为DC/AC功率模块；相对于传统的功率放大器，模块化多电平功率放大器具有宽范围电压及频率调节能力、模块化便于扩展、多模块冗余高可靠性、级联输出高保真的优点。但是多模块冗余固然可以提高系统的可靠性，同时也增加了系统的损耗，因此在兼顾系统损耗的同时，选取合适的冗余子模块数量提高系统可靠性，具有重要的实际意义。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对模块化多电平功率放大器，提供一种模块化多电平功率放大器冗余度设计方法，使得系统能同时满足可靠性和损耗特性的要求。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种模块化多电平功率放大器冗余度设计方法，包括AC/DC功率系统，DC/AC功率系统；所述AC/DC功率系统包括三相交流输入、交流输入开关、三相不可控整流器、电容器、隔离型DC/DC变换器、滤波器；所述DC/AC功率系统包括电容器、全桥逆变单元、滤波器、负载依次连接；所述滤波器分别接在DC/AC功率系统的输入端和输出端。本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S1：建立功率模块可靠性、损耗特性的数学模型。每个元件的可靠度可表示为

R(t)＝e^-λt

其中，λ为器件的故障率；

由此可得：

AC/DC功率子模块的可靠度为

DC/AC功率子模块的可靠度为

功率模块SM的可靠度为：

R_SM(t)＝R_SA(t)×R_SD(t)

式中，R_I(t)、R_D(t)、R_C(t)分别为IGBT、二极管和电容器的可靠性函数，由各元件的故障率代入式R(t)＝e^-λt计算得到；

模块化多电平功率放大器系统的可靠度表示为：

式中，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。

建立功率模块损耗特性的数学模型，则第i个模块中单个IGBT和单个二极管的通态损耗可表示为：