魏文才

（集美大學(xué) 輪機工程學(xué)院，廈門 361021）

基于目標(biāo)導(dǎo)向法的車載逆變電源的可靠性控制

魏文才

（集美大學(xué) 輪機工程學(xué)院，廈門 361021）

闡述了車載逆變電源的作用及車載逆變電源可靠性控制的目的和重要意義。應(yīng)用以成功為導(dǎo)向的GO法，運用定量計算的方法準(zhǔn)確得出某車載逆變電源的可靠性參數(shù)，并采用傳統(tǒng)故障樹法進行對比驗證，證明該方法的正確性及所得參數(shù)的可靠性，論證了以目標(biāo)為導(dǎo)向的GO法在此類應(yīng)用中的優(yōu)越性。此外，從可靠性方面對不同的逆變電源加以區(qū)分，為不同級別可靠性要求的電源選取提供具體參數(shù)。

車載逆變電源；目標(biāo)導(dǎo)向法；故障樹分析；可靠性控制

隨著電子技術(shù)的快速發(fā)展，逆變電源在不同領(lǐng)域得到越來越多的應(yīng)用，對其可靠性控制也提出了越來越高的要求。目前對包括逆變電源在內(nèi)的電子產(chǎn)品的可靠性控制，通常主要從電子元器件的選取、整套設(shè)備的散熱措施以及電磁防護抗干擾等方面來進行控制［1－2］。這些措施在某種程度上可以提高電源的性能，但是無法得出某個具體電源的可靠性參數(shù)，對不同設(shè)備的可靠性不能定量區(qū)分。如果沒有定量區(qū)分，那么在選用電源的過程中勢必會存在隨機性、不確定性和模糊性，這對整個系統(tǒng)或設(shè)備的可靠性會產(chǎn)生不良影響。本文以車載逆變電源為例，不采用傳統(tǒng)的故障樹法，而將以目標(biāo)為導(dǎo)向的GO（Goal Oriented）法引入到其可靠性計算中，從而更利于可靠性控制。

1 GO法概述

GO法是一種有效的可靠性分析方法，即以目標(biāo)為導(dǎo)向。這是GO法與傳統(tǒng)的以失效模式為導(dǎo)向的故障樹分析法（FTA）的本質(zhì)性區(qū)別，在處理具有多態(tài)單元的系統(tǒng)問題時具有其優(yōu)越性。20世紀(jì)60年代，凱曼科學(xué)公司（Kaman Sciences Corporation）開發(fā)出了這種方法，將其應(yīng)用于航空航天及國防工業(yè)，20世紀(jì)70年代加入了GO法的操作符，用于分析傳統(tǒng)電站和核電站的安全性和可用性。

操作符和信號流是GO法的2個重要組成部分。GO法中定義了17種標(biāo)準(zhǔn)的操作符，操作符用來表示單元的輸入、輸出以及單元之間的邏輯關(guān)系，其類型代表單元的特征和功能。各單元通過信號流進行聯(lián)接，代表不同的邏輯關(guān)系。信號流包括狀態(tài)值和狀態(tài)概率，狀態(tài)值表示單元的工作狀態(tài)；狀態(tài)概率表示單元處于該狀態(tài)時的概率。GO法尤其適用于氣流、電流等有實際物流的系統(tǒng)可靠性分析［3］。

GO法的分析流程如圖1所示。根據(jù)系統(tǒng)的電路圖、工程圖或原理圖分析系統(tǒng)，確定其組成單元；確定邊界即系統(tǒng)的輸入輸出；明確系統(tǒng)的正常運行狀態(tài)，即確定成功準(zhǔn)則，成功準(zhǔn)則的不同，則評價結(jié)果也不同；系統(tǒng)中的各單元由相應(yīng)的操作符代替，根據(jù)單元之間的邏輯關(guān)系用信號流將操作符連接起來形成GO圖；GO圖建立后，按照操作符的編號輸入各單元的狀態(tài)概率數(shù)據(jù)；按照操作符的運算規(guī)則，計算出系統(tǒng)的輸出信號；最終對系統(tǒng)進行評價，判定其可靠性［4－5］。

2 車載逆變電源

圖1 GO法分析流程圖Fig.1 Flow chart of GO method

隨著我國汽車產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，與之配套的相關(guān)產(chǎn)業(yè)正逐步崛起，車載電子產(chǎn)品越來越豐富。眾所周知，任何一個車載電子設(shè)備都需要一個穩(wěn)定可靠的電源，車載逆變電源綜合了現(xiàn)代電力電子學(xué)、模擬電子技術(shù)、數(shù)字電子技術(shù)和控制技術(shù)［6］，能將12V的直流電轉(zhuǎn)換為和市電相同的220V交流電，從而保證車載電子設(shè)備、儀器儀表的正常工作。車載逆變電源可靠性要求高，工作環(huán)境惡劣，故對逆變電源進行可靠性控制是很有必要的［7］。逆變電源可靠性控制不僅可以使之更好地滿足需求，更重要的是從可靠性的角度對不同的逆變電源加以區(qū)分，以實現(xiàn)不同可靠性的設(shè)備用于不同的設(shè)備和領(lǐng)域。

車載逆變電源一般采用2級結(jié)構(gòu)，第1級是DC／DC變換器，用于將蓄電池12V的低壓直流電變換成260V的直流電壓；第2級是DC／AC逆變器，將直流電壓逆變成修正有效值為220V的交流電［8］。

本文選用的開關(guān)電源采用全橋逆變拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以開關(guān)器件和主變壓器組成逆變主回路，將輸入的12V直流電壓經(jīng)2次全橋逆變，然后輸出穩(wěn)定的交流電壓［9］。其主電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3 GO圖的建立

逆變電源主電路的GO圖如圖3所示。圖中，操作符代表的單元部件及參數(shù)如表1所示。逆變電源的主電路在建立GO圖的過程中，用到了3種操作符“1”、“5”、“6”，其預(yù)算規(guī)則如下。

表1 主電路GO圖的操作符參數(shù)Tab.1 Parameters of main circuit

類型1 兩狀態(tài)單元?？捎糜谀M電子部件有報警器、放大器、電池、斷路器、線圈和傳感器等，用來模擬兩狀態(tài)單元，即成功狀態(tài)和故障狀態(tài)。本系統(tǒng)中用于模擬去耦電路、電容、變壓器、整流橋。

類型5 單信號發(fā)生器。作為GO模型的輸入，可產(chǎn)生一個初始信號。同一個GO圖中出現(xiàn)的不同的此類型號發(fā)生器，其信號是相互獨立的。本系統(tǒng)中用來模擬直流輸入和控制信號。

類型6 有信號而導(dǎo)通的原件。用來表示通過激勵才能讓輸入通過的部件，用于模擬開關(guān)、閥和泵等。

4 定量運算

GO法可以由操作符的可靠性數(shù)據(jù)直接計算系統(tǒng)的可靠性參數(shù)，得到精確的結(jié)果。本文采用GO運算中的定量運算。電子元器件可靠性參數(shù)采用中華人民共和國國家軍用標(biāo)準(zhǔn)《電子設(shè)備可靠性預(yù)計手冊（GJB／Z 299B－98）》。元器件計數(shù)法是可靠性預(yù)計的基本方法，系統(tǒng)各單元的失效率通過元器件計數(shù)法得到［10－11］，單元失效率表2所示。

表2 主電路GO圖中各單元的失效率Tab.2 Failure rate of units

設(shè)Pj（i）為信號流j處于狀態(tài)i的狀態(tài)概率，P（mn）為操作符m處于狀態(tài)值n時的狀態(tài)概率，各信號流的狀態(tài)概率如下。

（1）信號流12表示主電路輸出到控制電路的采樣電壓，其狀態(tài)概率為

（2）信號流2表示采樣電壓1，狀態(tài)概率為

（3）信號流9表示采樣電壓2，狀態(tài)概率為

（4）信號流10表示最終輸出電壓，狀態(tài)概率為

5 故障樹驗證

故障樹是一種圖示模型，它由邏輯門按照系統(tǒng)與元件的因果關(guān)系組合而成。從頂事件觸發(fā)通過中間事件將各有關(guān)的基本事件有機地連成一棵倒置的事件樹。

故障樹的建造過程大致分為3步：① 確定頂事件，即找出系統(tǒng)故障事件中最危險事件；② 確定邊界條件，根據(jù)頂事件合理確定邊界，從而確定故障樹的建樹范圍；③ 逐層建樹，從頂事件開始，逐級向下分解展開，直至追蹤到底事件［12－13］。

用傳統(tǒng)的故障樹分析法所構(gòu)造的系統(tǒng)故障樹模型如圖4所示。其中，1代表絕緣柵雙極型晶體管，2代表二極管，3代表電解電容，4代表電感。

圖4 故障樹模型Fig.4 FTA model

設(shè)E1，E2，…，En為系統(tǒng)n個最小割集，則系統(tǒng)失效概率為

將不交型積之和利用布爾代數(shù)運算并化簡，代入各單元失效率，可求出系統(tǒng)失效率［9］，結(jié)果為

由式（10）可知，其失效率P（T）＝4.163×10－6，這與 GO法的最終結(jié)果4.143×10－6相比較，基本一致，說明：GO法對分析本電源電路的可靠性是可行和正確的。此外，從以上分析過程可以看出，GO法與故障樹分析法存在著一些關(guān)鍵的差異：①GO法包含了更多的邏輯操作碼，可更加靈活和詳細(xì)地模擬系統(tǒng)中功能各異的單元；②GO法操作碼的狀態(tài)數(shù)有多個，適用于多狀態(tài)的單元；③GO圖的物理模型比較緊湊，與原理圖類似，更容易建立，且GO圖的建立也較容易，而故障樹相對而言則較繁瑣、復(fù)雜；④ 對于同一系統(tǒng)，不同的人建立的GO圖相差無幾，而故障樹的模型則可能差異較大；⑤ 故障樹受到頂事件的限制，若時間被重新規(guī)定，則模型需要重新建立［14－15］。

綜上所述，GO法和故障樹都能很好地模擬分析大多數(shù)系統(tǒng)，只是側(cè)重點不同。有時，故障樹更為方便和直觀，但是對于與本文電源系統(tǒng)相類似的其他系統(tǒng)而言，因其單元狀態(tài)不是簡單的是或否，故GO法在處理類似問題上具有其獨特的優(yōu)越性，能更準(zhǔn)確地描述系統(tǒng)，使分析簡單化、明了化，具有很強的實際意義。

6 結(jié) 語

本文采用GO法分析了車載逆變電源的可靠性，得出可靠性參數(shù)，與傳統(tǒng)的故障樹法進行對比驗證，結(jié)果證明GO法在處理和分析此類系統(tǒng)的可靠性問題上是切實可行的，并比故障樹法具有相應(yīng)的優(yōu)勢，更有利于可靠性參數(shù)的獲取。本文選用了一個簡單的例子進行分析，旨在提出一種可靠性控制的方法，使可靠性這一重要參數(shù)能夠更加明顯地體現(xiàn)在設(shè)備的選型中。不僅僅是逆變電源，其他有可靠性要求的設(shè)備或系統(tǒng)都可采用類似方法計算出其可靠性，為可靠性控制提供確鑿有力的數(shù)據(jù)支持。

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Reliability Control of Vehicle－Borne Power Inverter Based on Goal Oriented Method

WEI Wencai
（Marine Engineering Institute，Jimei University，Xiamen 361021，China）

This paper introduces the function of vehicle－borne power inverters，its goal and importance for reliability control of vehicular power inverter.A success－driven GO model and a mathematical method are used to get the reliability parameters of a specific vehicle－borne power inverter.In addition，the traditional fault tree analysis（FTA）is used to check the result，showing that the GO theory is valid in analyzing the electronic system.According to the parameters，we can distinguish different power inverters and choose right ones for different reliability requests.

vehicle－borne power inverter；goal oriented theory；fault tree analysis（FTA）；reliabilitycontrol

U 463.63；TB 114.5

A

2095－0020（2012）01－0022－05

2011－10－20

魏文才（1987－），男，碩士生，專業(yè)方向為船舶自動化及可靠性研究，E－mail：weiwencai1987＠yahoo.com.cn