教学课程资源库 更多>>

关键词： 登革热传播模型   潜伏期时滞   logistic增长   疫苗接种   稳定性   Hopf分支   最优控制  

摘要： 登革热是由登革病毒引起的急性传染病,主要通过雌性埃及伊蚊和白纹伊蚊的叮咬传播.当登革病毒通过伊蚊叮咬进入人体血液后,易感者大约经历3-14天的内潜伏期才会出现诸如发热、肌肉痛等症状.同时,蚊子在吸食感染者的血液后,也要经历大概8-12天的外潜伏期才能将登革病毒传播给新的宿主.因此,在登革热传播模型中考虑潜伏期时滞的影响能更准确地刻画疾病的传播机理. 本文的主要研究内容如下: 第一章,介绍本文的研究背景及意义、国内外研究现状以及本文的主要工作. 第二章,建立一类具有时滞和logistic增长的登革热传播动力学模型,这里时滞刻画了登革病毒在宿主体内的内潜伏期.给出了基本再生数R0的表达式.讨论了地方病平衡点局部渐近稳定和系统稳定性开关现象存在的条件.通过构造适当的Lyapunov泛函并应用La Salle不变性原理,证明了当R0<1时,无病平衡点是全局渐近稳定的;当R0>1时,给出了地方病平衡点全局渐近稳定的充分条件.此外,讨论了系统的一致持久性.利用规范型理论,研究了无时滞时分支周期解的振幅和周期等性质.最后,对基本再生数进行了局部和全局敏感性分析.基于2020年新加坡实际报道的登革热累计周病例数对模型的参数进行估计和数据拟合,预测疾病的流行趋势. 第三章,建立一类具有时滞和疫苗诱导免疫衰减的登革热传播动力学模型,这里时滞刻画了登革病毒在蚊子体内的外潜伏期.计算了系统的基本再生数,研究了系统各可行平衡点的局部渐近稳定性.通过构造适当的Lyapunov泛函并应用La Salle不变性原理分别研究了系统无病平衡点和地方病平衡点的全局渐近稳定性.此外,基于Pontryagin极小值原理,引入与时间相关的控制策略并提出了四种不同的控制方案,讨论了预防与控制登革热传播的最优策略,给出了最具成本效益的控制方案.最后,基于2022年新加坡实际报道的登革热累计周病例数对模型的参数进行估计和数据拟合,并研究了疫苗相关参数对基本再生数和登革热累计病例的影响. 第四章,总结了本文的研究工作并给出了今后研究的目标.

关键词： 驱动电路   短路保护   自适应  

摘要： 随着电动汽车产业以及新能源的持续发展,大功率IGBT(绝缘栅双极型晶体管)作为电力电子技术中的核心部件,其应用前景持续拓展。在高电压、大电流和高功率的工作环境下,对IGBT的稳定性和可靠性提出了更高级别的要求。IGBT驱动作为连接控制系统与功率器件之间的桥梁,不仅是确保系统稳定运行的关键,也是高功率电力电子转换设备可靠性的核心因素。它在提升系统效率、保障安全性和增强设备可靠性方面起着至关重要的作用。 本文设计了一款新型自适应IGBT有源栅极驱动电路(Novel Adaptive Active Gate Drive,简称NAAGD)及其保护电路,该设计通过结合互补IGBT的电压电流信号进行驱动电阻的投切控制,实现自适应响应,具有更好的即时性,短路保护更加迅速准确,有效兼顾电流及电压振荡的抑制和开关损耗,从而提高了系统的效率、安全性和可靠性。研究的主要内容包括: 首先,本研究深入探讨IGBT的原理和特性。详细分析了其工作原理、转移特性及开关特性等,为驱动电路设计奠定了坚实的理论基础。 其次,基于互补IGBT工作换流特性,定义了驱动设计要求,并设计了一种自适应变电阻的驱动电路方案。通过实时调整开通过程中各个阶段的栅极电阻值,优化开通过程中的电压电流过冲和各阶段的开通损耗。 随后,基于驱动电路结构,设计了相应的保护电路。通过监测互补管的关键参数,判断是否发生故障,触发保护机制,解决了现有退饱和检测方案存在的盲区时间问题。 然后,进行了驱动电路和保护电路的硬件设计与开发,并构建了BUCK转换电路以进行硬件实验。通过在多种电压和电流等级下的一系列实验,成功验证了该设计方案在实际应用中的实用性和效果。 最后,对整个研究进行了总结,并针对未来的研究方向进行了具体展望,为未来的研究任务提供了重要指导。 图[36]表[7]参[64]

关键词： 磁耦隔离   片上变压器   IGBT   驱动电路   保护电路  

摘要： 绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)驱动技术一直以来在现实电力应用中发挥着重要作用,是IGBT应用技术中的关键技术之一,其性能影响着整个系统的效率和可靠性。目前国内外的专用驱动器已经投入批量生产,但依旧存在诸多缺陷,传统的驱动器已经无法满足市场需求。磁耦隔离驱动电路因其具备信号传输速率快、共模瞬态抗扰度(Common-Mode Transient Immunity,CMTI)能力强和隔离性能好等优势备受关注。因此,针对以上问题,本文设计了一款带高低压隔离功能的高速磁耦合隔离驱动电路,主要内容如下: (1)分析了IGBT器件的结构、工作机理、栅极特性和安全工作区,并通过原理分析和计算结合的方式提出了IGBT驱动的隔离要求、驱动要求和保护要求,最后总结得出驱动电路的总体方案,主要分为数字隔离器、驱动电路和保护电路三大模块。 (2)设计了一款高速高可靠性数字隔离器,通过对目前主流的三种隔离方式进行分析和对比,选择隔离性能更优的片上变压器隔离传输模式,能够同时传输信号和功率的同时,实现了完全的电气隔离。针对信号调制方式的选择,对目前现有的信号调制技术做出分析并探讨优缺点,随后针对所提出的问题创新性的提出两种脉冲型信号调制方式,一种利用三层片上变压器,实现脉冲计数信号调制和极性脉冲调制的结合,另一种是脉冲计数信号调制技术解码电路在现有的脉冲计数调制解码方式的基础上做出改进和创新,最终结合电路性能、制造成本和可靠性等因素,选择改进型脉冲计数调制,降低了解码误码,提高了传输速率的上限,具有高数据传输速率、高可靠性、低延时和低信号失真的性能参数。 (3)设计了驱动主体电路。设计了死区时间产生电路,避免了IGBT在开通过程中由于开通时间的影响导致控制信号的错误而造成的桥臂贯通现象;功率放大电路选择P沟道和N沟道组成的推挽电路,采用分级控制MOS管的导通,即分级控制拉罐电流,使得IGBT栅极电压呈现阶梯型,从而减弱IGBT器件的di/dt和dv/dt问题,优化EMI。 (4)设计了保护电路,包括栅极过压保护电路、短路保护电路、欠压锁定和过温保护。分析了栅极过压的原因,介绍了TSV管和肖特基二极管实现栅极过压保护的两种电路,并选择肖特基二极管实现栅极过压保护功能;防止IGBT的关断过程造成IGBT栅极尖峰电压造成的误开启,设计了弥勒钳位电路;利用IGBT短路时发生退饱和的原理,设计了短路保护电路;欠压锁定是为了监测并防止电源电压过低;过温保护是保护电路在可靠温度范围内工作。 (5)对隔离驱动芯片进行了整体仿真和实验测试。优化了版图设计,利用Cadence spectre仿真验证了双高互锁、使能控制、整体延时和峰值电流。仿真结果表明驱动器的输出驱动电流完成了三级阶梯型灌电流和两级阶梯拉电流控制,峰值灌电流为6.78A,拉电流为6.25A,最低延时为29.5ns,最高延时为65ns,输入输出具有较小的延时。实验测试结果表明峰值灌电流为5.32A,峰值拉电流为5A,传播延时为54ns,最高工作频率为1MHz,总体指标表明驱动芯片设计性能达到预先设定指标且能应用于实际。

关键词： 双有源桥串联谐振变换器   氮化镓功率器件   时域模型   变频控制   移相控制  

摘要： 作为第三代宽禁带半导体功率器件的代表,氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN High Electron Mobility Transistors,GaN HEMT）相比于传统的硅（Silicon,Si）器件具有更低的导通电阻、更高的工作频率以及更小的封装体积,将GaN HEMT应用在电力电子变换器中,能够有效的提高变换器的功率密度和效率。 双有源桥串联谐振变换器（Dual Active Bridge Series Resonant Converter,DAB-SRC）因其电路结构简单、能够实现自然同步整流等特点得到了广泛的应用。本文以基于增强型GaN HEMT的双向DAB-SRC变换器拓扑为依托,展开以下研究: （1）依据时域（Time Domain,TD）建模方法,采用归一化频率（f_n）和原副边移相角（?）作为控制变量,推导得出了变换器增益表达式的时域解析解,并给出了软开关区域的判定表达式,同时建立了损耗模型。 （2）针对DAB-SRC提出了一种变频移相控制方法。该方法在软开关区域内设计了一种线性函数:将归一化频率（f_n）设计为与品质因数（Q）相关的线性函数,而移相角（?）作为控制变量通过闭环反馈来实现对输出的控制。在任何单向功率流情况下,控制系统只需要检测三个常规的反馈变量即可进行闭环控制,且可以保证变换器始终运行在软开关区域内。本文通过搭建一台1.2k W实验样机验证了所提出控制策略的可行性与正确性。 （3）为了改善变换器的动态性能,采用前馈控制算法:采用时域模型中移相角的解析解作为前馈量,辅助比例积分补偿器进行闭环调节。该方法有效地减少了负载阶跃过程中的电压超调和恢复时间,提高了变换器的动态响应速度,并通过实验验证了前馈控制算法的有效性和正确性。 （4）为了进一步扩大极轻载工况下的软开关区域、同时减小开关频率的范围,本文提出了一种变频移相结合定频移相的混合控制策略。对于DAB-SRC而言,在轻载工况时,微小的关断电流会导致开关管结电容的充放电时间很长,难以实现软开关。为了扩大轻载工况的软开关范围,可以采用极高的开关频率通过增加谐波分量使关断电流增大,从而使开关管在死区时间内完成换流、以及对于开关管结电容的充放电,进而实现软开关。然而,这种方法往往导致极宽的开关频率范围、增加了变压器设计的复杂度。为了进一步扩大极轻载工况下的软开关区域、同时减小开关频率的范围,在不增加器件个数的情况下,本文考虑了励磁电感和变压器变比对软开关区域的影响,对应的提出了一种混合控制策略及主电路参数设计方法。本文通过搭建第二台1.2k W实验样机验证了所提出控制策略的可行性与正确性。 （5）增强型GaN HEMT在反向续流时呈现较高的导通压降,因此GaN HEMT的损耗很大程度上取决于死区时间与关断电流的影响。本文以所提出的两种控制策略作为实施手段,以两套1.2k W双向DAB-SRC实验样机作为实施对象,分别分析、比较并验证了在相同输入、输出、功率等级条件下,关断电流、死区时间对于增强型GaN HEMT的影响,并给出了控制策略的选择思路。

关键词： 永磁辅助开关磁阻电机   直接转矩控制   无磁链闭环   自抗扰控制   转矩脉动  

摘要： 开关磁阻电机(Switched Reluctance Motor,SRM)具有结构简单,制造成本低且可靠性高的优势,应用在诸多行业。为提高SRM的功率密度,通过在SRM定子极中嵌入永磁体辅助电机运行,即为永磁辅助开关磁阻电机(Permanent Magnet assistedSwitched Reluctance Motors,PMa-SRM)。但由于PMa-SRM采用双凸极结构设计,运行时电磁特性具有较强的非线性,导致转矩脉动较大,在应用领域存在局限性。为降低转矩脉动,本文研究了一种基于改进型自抗扰(Active Disturbance Rejection Control,ADRC)的无磁链转矩控制策略,具体内容如下: 首先,以6/20极PMa-SRM为研究对象,介绍PMa-SRM的结构特点和工作原理,建立电机的线性、准线性和非线性模型,借助有限元仿真软件获得转矩和磁链数据,结合数学模型建立了高精度非线性仿真模型。 其次,介绍直接转矩控制(Direct Torque Control,DTC)策略,分析了传统直接转矩控制策略转矩脉动产生原因。针对在换相时刻转矩脉动大的问题,设计一种无磁链闭环控制策略,优化了电压矢量。仿真实验表明,基于无磁链闭环控制策略,有效抑制电机转矩脉动,在转速为1000r/min和负载为5N·m条件下,无磁链闭环控制转矩脉动为4.4%,电流峰值为11.25A;转矩脉动降低了21.8%,电流峰值降低了4.61A,验证了无磁链闭环控制可以有效抑制转矩脉动和电流峰值,增大转矩电流比。 再次,针对传统PI控制难以平衡快速性与超调性的问题,设计了一种改进型ADRC转速控制器。使用BP神经网络预测模型,对ADRC控制器参数进行预测,实现参数自适应调节。仿真实验表明:基于改进型ADRC在0.025s时,到达给定转速,且几乎没有超调。 最后,搭建PMa-SRM系统实验平台,并对所提方法进行验证,实验结果表明,本文设计基于改进型ADRC的无磁链转矩控制系统能够有效抑制转矩脉动,并且提高电机稳定性,与仿真效果一致。

关键词： Insulated gate bipolar transistors   Multichip modules   Wire   Monitoring   Stress   Real-time systems   Mathematical models   Internet of Things   Rainflow   lifetime   motor drive   half-bridge power modules   real-time mission profile   IoT   temperature monitoring  

摘要： Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) is a crucial and sensitive component in electric motor drive applications, and its reliability has gained significant research attention. Estimating the remaining life of converter IGBTs is essential for enhancing the safety and dependability of these applications while minimizing maintenance costs. Most of the existing work in the literature concentrated on accelerated age testing on a single IGBT switch or module. However, in a practical environment, various operational parameters affect the life of IGBT-based converters. This paper proposes a novel framework to estimate the IGBT power module's remaining useful lifetime (RUL) and enable failure prediction. This method can also be employed as a converter design method or an online lifetime estimation scheme when applied to real systems. To validate the developed technique, it is applied to a direct torque-controlled induction motor drive in the PLECS hardware-in-loop system. The load/mission profile is generated with a 3.7 kW induction motor driven by a three-phase 2-level voltage source inverter (3-phase 2L VSI). The temperature of the IGBT is estimated based on a time-dependent temperature calculation, and hence the depreciation of the IGBT power device is anticipated. The outcome of the research reveals realistic information on significant influences on the 3-phase 2L VSI's lifetime under various operational range characteristics. The outcome of the research reveals realistic information about the key factors that affect the 3-phase 2L VSI's lifetime during changes in operational conditions. From the RUL results, the load current and switching frequency variations influence the remaining life of the power devices in the electric drive system. Finally, a Matlab GUI application is created to estimate the inverter's lifetime, based on junction temperature data from a specific mission profile. The proposed system also incorporates the IoT real-time temperature monitoring of t

关键词： 捻线机   变频器   电动机监测系统   设计原理   功能   应用  

摘要： 本文设计了一种针对捻线设备的多电动机监控系统，设计独立硬件模块对电动机的电流、温度进行采集，并将此结果传输至捻线设备的单锭控制器，最终传送到设备的监控屏幕。在硬件基础上，根据捻线设备的工艺流程设计软件控制流程。此系统通过监控捻线设备电动机的状态，既可以提示一些生产过程中的工艺问题，又可以协助设备的保养与维修。