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关键词： IGBT驱动电路   状态监测   短路电流   老化特性  

摘要： 牵引变流器是轨道交通载运工具动力系统的核心部件,其稳定运行是保证运输安全的重要前提。牵引变流器的运行状态监测和维护维保作业是保证设备系统正常可靠的关键。现阶段,变流器的维修维保大多基于列车运行里程数;如果基于器件实际剩余寿命进行维修,将提高检修效率,降低维护成本。绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）是牵引变流器的关键器件,若实现针对IGBT模块的在线状态监测并给出老化特性评估,可以很大程度提高检修维护的便利性。相对通用变流器,牵引变流器实际运行中承受的工况更加恶劣,如温度波动、功率变化、湿热交替、震动冲击等。随着使用时长的增加,功率半导体器件IGBT会出现衰退和老化,表现出电气特性参数的变化。本文针对应用于地铁牵引变流器的IGBT模块内部键合线老化失效特性进行研究,提出一种通过驱动电路实现关键参数监测的方法,设计了符合城轨交通牵引变流器工作特性的在线监测流程,开发了集成自激短路电流监测功能的IGBT驱动电路,实现驱动级IGBT状态特性监测。 论文首先研究了IGBT的衰退机理,分析了IGBT模块键合线在循环热应力作用下的老化衰退过程。针对键合线等效阻抗的变化,研究了短路电流ISC随IGBT模块健康状态的变化关系,分析了门极电压VGE、集射极电压VCE、温度Tj对短路电流的影响;验证了低门极电压下自激短路电流与键合线等效阻抗变化关系的一致性,设计了结温补偿方式以排除温度对监测结果造成的影响。 论文设计开发了集成自激短路电流监测功能的IGBT驱动电路,研究了驱动电路的基本功能,设计了功能分层的数字控制驱动电路,通过外加结温监测电路和自激电源电路,实现了自激短路电流触发和监测。针对普通驱动保护功能和自激短路功能的特点,设计了门极电平供电电路,逻辑时序电路,自激短路电路,小电流自放电结温监测电路,进行了驱动电路的调试和测试。为了实现牵引变流器在线监测,研究了城轨地铁牵引变流器运行特性,结合变流器启停待机特性,设计了驱动电路自激触发工作流程。在尽量不改动上位机系统原控制方案基础上,驱动电路可以通过外部特征实现自激短路电流监测。 论文最后对状态监测方法进行实验验证。搭建离线单管实验平台,通过人为剪断键合线的方式模拟IGBT模块老化,获取了短路电流随健康程度与温度的变化关系,验证了温度校正策略可行性。在功率实验测试平台,完成了IGBT驱动电路传统驱动功能的验证。同时也完成了相关状态监测功能的验证,证明了所设计的驱动电路具备传统驱动功能与IGBT健康状态监测功能。

关键词： 可控整流   锁相环   延迟信号消除法   双闭环控制  

摘要： 绝缘栅双极型晶体管(Insulated gate bipolar transistor,IGBT)具有开关速度快、控制灵活等优点,是电力电子技术的一次重大突破。功率半导体器件在绿色能源,工业等领域有着很好的发展前景。目前国内常用的功率器件多来自于国外功率器件供应商,但近年随着国际贸易形势的严峻,使得国外半导体断供风险增加和经济效益降低。基于国产化的需求,以国产IGBT为核心功率器件,研制一款以三相PWM整流器与单相H桥逆变器为主要拓扑的大功率电源具有广泛的工程应用前景。 本文首先分析了传统的三相PWM整流器和开环工作的单相H桥逆变器的工作原理。在三相PWM整流器的基础上,建立了基于LCL滤波器的三相电压型PWM整流器在三相静止坐标系、两相静止坐标系和同步旋转坐标系下的数学模型。 其次,大功率不控整流电源诱发网侧电压畸变,畸变电压输入可控整流电源,导致同步旋转坐标系锁相环(SRF-PLL)不能准确跟踪电网电压相位。文中给出三相线电压畸变的近似数学表达式与锁相环中αβ坐标系下电压畸变的近似数学表达式,然后用傅里叶变换计算出αβ坐标系下的电压畸变中主要存在的5次、7次谐波;在Matlab/Simulink软件中建立其仿真模型,利用FFT对αβ坐标系下的电压畸变进行谐波分析,得出电压畸变中存在5次、7次谐波。两者的电压波形和谐波信息基本一致,验证了傅里叶变换分析的电压畸变中谐波次数的准确性。为消除电网电压谐波,实现可控整流电源的快速动态响应控制,提出一种基于多重延迟信号消除法的锁相环。与传统的锁相环策略进行对比研究,结果表明传统锁相环输出频率波动值超过±1Hz,改进锁相环输出频率波动值小于±0.07Hz,验证该方法的有效性。 最后基于国产IGBT的大功率电源研制,对主电路参数设计并给出参数计算过程,包括输入无源阻尼LCL滤波器参数设计、国产功率器件选型和吸收电容参数设计;以TMS320F28335芯片作为主控制芯片的控制电路,并配置外围电路设计;给出电源的双闭环控制参数设计和控制程序流程设计。基于输出功率为200KW的可控整流电源样机进行测试验证,实验结果表明:本文提出的锁相环优化方法与电压电流环控制具有良好的动态响应速度和稳态性能。

关键词： IGBT模块   超声楔形键合   键合参数   正交试验   工艺优化  

摘要： 随着能源与环境不断地向可持续性方向发展,绝缘栅双极晶体管(IGBT)在各类能源系统中的应用越来越广泛。为了满足IGBT模块高功率密度的发展要求,模块内部所承受的温度循环及剪切应力冲击日益加重,从而使得IGBT模块失效问题也愈发严重。据统计在IGBT失效故障中,功率模块的失效约七成是由于键合线故障所导致的,因此深入研究模块键合线的可靠性是亟待解决的关键问题。因此本文以台芯电子科技有限公司的TXFF450R12T2HS模块作为研究对象,采用理论建模、数值仿真、正交试验及功率循环测试等方法,深入研究键合线材料、键合工艺参数及键合线失效机理。主要研究内容与结论为: (1)通过ANSYS进行IGBT功率模块键合线有限元仿真。深入探究铜线及铝包铜线替代传统铝线对模块温度场的影响。研究得出:相较于铝线模块,铜线键合模块和铝包铜线键合模块的温度分别降低了14℃和10℃。因此更换键合线材料可有效降低IGBT运行温度。在模块工况下对键合线进行失效分析得出:键合线与IGBT及FRD芯片的互连界面处,焊点键脚处温度最高且Von应力最大,因此在循环应力作用下,此区域更易出现老化失效,导致键合线脱落。构建模块在正常工作及键合线失效故障状态下的热场和温度场模型,研究得出:部分键合线的故障将导致模块最高温度上升,同时焊点处的应力会增加,因此,部分键合线的脱落会加速IGBT模块的失效进程。 (2)探究铜线、铝包铜线在引线键合中的最优工艺参数,明确超声功率、键合压力及键合时间对焊点质量的影响,为铜线、铝包铜线键合模块提供生产参数依据。研究得出:超声功率对第一键合点的影响更显著;键合压力对第二键合点的影响更显著。随着键合时间的增加,剪切力强度对时间的敏感性降低。通过正交试验结合键合微观形貌对键合参数进行优化,研究得出:铜线键合DBC最优工艺参数为:超声功率33 W;键合压力1200 g;键合时间320 ms。铝包铜线键合DBC最优工艺参数为:超声功率29 W;键合压力1300 g;键合时间240 ms;铝包铜线键合芯片最优工艺参数为:超声功率27 W;键合压力1200 g;键合时间220 ms。 (3)以功率器件工作过程中的结温波动,来评估器件封装的可靠性。通过功率循环测试,验证有限元仿真准确性;计算IGBT结温,判断其工况,研究得出:铜线键合IGBT的结温在92.672至95.258℃,铝包铜线键合IGBT结温在97.976至100.296℃,铝线键合IGBT结温在97.786至107.788℃。铜线、铝包铜线及铝线模块结温波动分别为2.58℃、2.32℃及10.01℃,因此相较于铝线键合模块,铜线及铝包铜线键合模块结温波动小,失效速率更慢;其模块在20000次功率循环过程中结温更低则芯片的失效率更小,因此铜线及铝包铜线键合模块的可靠性更高。

关键词： 半变分不等式   分数阶发展型   不动点理论   最优控制   松弛控制  

摘要： 分数阶发展方程与半变分不等式在物理学和工程方面都有重要应用,其最优控制问题也都具有理论和现实意义。因此,本文研究两类分数阶发展型半变分不等式的最优控制;本学位论文主要分为四章: 第一章主要简述研究背景和他人的研究成果,第二章介绍本学位论文需要的预备知识,如分数阶微积分的定义,集值分析的一些定义,算子理论,广义梯度理论,以及不动点理论等。 本文第三章研究如下的一类具有对偶算子的向后Riemann-Liouville分数阶发展型半变分不等式: 首先利用算子半群的对偶理论、预解算子技巧、Cesari性质和Schauder不动点定理,证明了适度解的存在性;得到了该系统可行对的存在性。然后证明一个拉格朗日问题最优反馈控制对的存在性。在本章的最后一节,给出了希尔伯特空间上的一个例子来说明我们的理论结果。 本文第四章研究如下一类具有非凸混合约束条件的Hilfer分数阶发展型半变分不等式的非凸最优控制问题: 首先,应用Schauder不动点定理得到了 Hilfer分数阶发展型半变分不等式解的存在性结果。然后讨论一个松弛问题和原始问题之间的关系,证明了松弛问题有一个最优解,而对于每一个最优解,都存在一个原问题的最小化序列,使得它的轨迹、控制和泛函这三个方面同时收敛到这个解。 最后,我们总结了各章节的研究成果,分析了研究还有待改进的地方。

关键词： 全驱动水下航行器   轨迹跟踪控制   状态约束控制   最优控制  

摘要： 随着海洋工程事业的发展,水下航行器被广泛应用于海洋探测、海洋环境监测等诸多领域。在海底勘探等典型任务场景中,水下航行器需要完成轨迹跟踪控制。然而水下航行器控制面临航行器受到的外部干扰未知问题、航行器自身具有的动态不确定性问题、航行器的执行机构受到饱和约束问题以及航行器因所处海洋环境的空间狭小其输出状态受到约束问题。因此为不同工作环境下的航行器设计鲁棒性强且具有实际工程意义的控制器尤为重要。本文以全驱动水下航行器为研究对象,结合滑模控制、最优控制、强化学习等相关理论,对复杂约束下水下航行器轨迹跟踪控制问题进行研究,主要研究内容如下: (1)针对具有参数不确定性和外部扰动的水下航行器轨迹跟踪控制问题,分别采用基于RBF网络自适应滑模控制与基于固定时间积分滑模干扰观测器(FTISO)的双闭环积分滑模控制方法对航行器控制器进行设计。在对两种控制算法下航行器系统稳定性进行分析的同时,通过仿真实验验证两种控制算法有效性。 (2)针对具有输入约束的水下航行器轨迹跟踪控制问题,设计了基于固定时间动态补偿系统的航行器控制器。首先,根据航行器的特性,设计固定时间动态补偿系统,以补偿控制输入误差带来的影响;其次,使用固定时间扩张状态观测器对非线性项进行估计,辅助航行器动力学控制器设计;最后,通过仿真实验验证了辅助系统与观测器的有效性。 (3)针对具有输出约束与输入约束的水下航行器轨迹跟踪控制问题,设计了基于障碍李雅普诺夫函数的双闭环控制器。首先,通过引入非对称障碍李雅普诺夫函数实现对航行器输出状态的约束;其次,采用线性扩张状态观测器对未知非线性项进行估计,以补偿其影响;然后,利用双曲正切函数完成对饱和输入拟合,结合辅助系统实现输入饱和控制;最后,在证明航行器系统的稳定性的基础上,通过设计的仿真实验,验证算法在进行定点定位与轨迹跟踪控制任务中的有效性。 (4)针对输入输出约束下水下航行器最优轨迹跟踪控制问题,设计了基于状态转换的航行器轨迹跟踪最优控制器。首先,使用非线性转换函数将约束方程转换成无约束方程;其次,对转化得到的无约束方程设计基于Actor-Critic的最优控制器,同时采用动态误差面技术简化神经网络虚拟控制律求导流程;然后,使用积分扩张状态观测器实现对未知非线性项进行估计,构造了推力补偿系统对输入饱和差值进行补偿;最后通过仿真实验验证了最优控制器的有效性以及非线性转换函数在解决航行器状态约束问题所具有的实际意义。

关键词： 船舶电力推进   永磁同步电机   直接转矩控制   模型预测转矩控制  

摘要： 永磁同步电机作为一种高效能、高功率密度的电机,在船舶电力推进中有着广泛应用。与传统的内燃机推进系统相比,船舶电力推进具有高功率因素、小型化和轻量化等优点,并且随着电力推进技术的发展,船舶电力推进技术在船舶驱动中产生了更多类型和具有更大规模。内河船舶推进系统中,电机控制策略的设计应考虑其运行高效性、稳定性、快速响应、鲁棒性等方面,控制策略的设计优劣会直接影响电机的能量传输,继而影响到船舶运行性能。本文针对电压源逆变器供电的永磁同步电机为研究对象,深入探讨了永磁同步电机在船舶电力推进系统中控制策略的运用原理和优势,围绕永磁同步电机模型预测转矩控制中的价值函数设计、转矩脉动抑制等问题展开研究。 本文根据永磁同步电机的基本特性,结合永磁体的高磁场强度、高效率以及在多领域应用中的广泛使用,利用传统的直接转矩控制策略,建立精确的电机模型及优化控制策略,并将滑模控制引入直接转矩控制策略中,降低了传统直接转矩控制所产生的转矩脉动。 结合永磁同步电机转矩控制理论与模型预测原理,在传统的永磁同步电机模型上提出了模型预测转矩控制,分析了模型预测在转矩控制中价值函数的设计原理,对价值函数中不同权重系数下的模型预测转矩控制进行仿真分析,模型预测转矩控制的独特之处在于能够在考虑多个性能指标和约束条件的同时实现快速动态响应。 针对传统模型预测转矩控制策略中权重系数设计复杂的问题,本文设计了一种基于参考电压矢量的模型预测转矩控制策略,通过永磁同步电机数学模型推导出所施加的参考电压矢量,重新设计价值函数,将模型预测控制中转矩和磁链不同量纲统一为参考电压追踪误差,省略了价值函数中权重系数设计。 针对模型预测转矩控制中转矩脉动抑制的问题,分析了模型预测控制转矩脉动机理与定子电压矢量对电磁转矩和磁链的影响,在传统模型预测转矩控制的基础上引入占空比算法,调节有效电压矢量作用时间实现转矩的精确控制,并进行仿真验证,仿真结果显示其能有效地对电机转矩脉动抑制,证明了模型预测转矩控制在提高永磁同步电机系统动态响应性能、稳定运行以及应对复杂工作环境方面的卓越性能。 为了更直观全面地验证本文所采用的优化控制策略在实际应用中的控制效果,本文搭建了以TMS320F28335为主控芯片的永磁同步电机控制系统实验平台,并完成控制系统的硬件和软件算法设计。并在搭建的平台上进行电机空载和负载实验,结果表明所提出的控制策略可以实现对永磁同步电机的有效控制,达到了预期的效果。

关键词： 永磁同步电机   矢量控制   滑模控制   无位置传感器   锁相环  

摘要： 随着“碳中和,碳达峰”战略目标的提出,新能源汽车在面临环境污染和气候变化挑战的背景下应运而生。永磁同步电机(PMSM)具有结构设计简单、可靠性强、高功率密度等特征,契合汽车领域对驱动电机高功率密度以及轻量化设计的要求,但是PMSM需要设置机械式位置传感器获取转子位置,不仅不利于轻量化设计,而且受到各种因素的影响,因此研究无位置传感器技术具有非常重要的意义。本文以表贴型PMSM为研究对象,对其无位置传感器控制技术以及调速控制进行研究,具体内容如下: 首先,具体阐述PMSM的基本结构和工作原理,针对PMSM非线性、强耦合的特点,采用坐标变换建立不同坐标系下的PMSM数学模型,具体分析空间脉宽调制技术的原理与实现方式,搭建矢量控制仿真模型,为后续研究奠定基础。 其次,为解决传统滑模观测器(SMO)在观测转速与转子位置跟踪时存在误差、精度低的问题,设计一种新型快速非奇异终端滑模观测器(FNSTSMO),引入积分函数有效过滤高频信号来提高观测精度,无需使用低通滤波器即可获取平滑的反电动势估计值。针对反正切函数估计转子位置时放大高频抖振的问题,设计新型归一化正弦锁相环(NNPLL),不仅有效减小观测误差,而且解决电机反转时传统锁相环导致PMSM失稳的问题。两者结合使用,有效减小系统的观测误差,抑制系统抖振,提高观测精度。 然后,针对传统滑模控制(SMC)趋近速度慢、抖振明显的缺点,提出一种结合终端滑模的比例指数趋近律,基于此设计新型滑模速度控制器(NMRLSMC)。设计滑模扰动观测器(SMDO)对外界负载扰动以及系统内部参数进行观测,实时补偿NMRLSMC。与传统SMC相比,NMRLSMC+SMDO可以有效提高PMSM的调速性能,抑制系统抖振,增强PMSM运行稳定性。 最后,结合新型滑模观测器与速度控制器,搭建新型复合滑模PMSM无位置传感器控制仿真模型。与传统复合滑模控制对比,新型复合滑模控制下电机启动时转速超调减少13%,变负载时转速下降得到明显改善,转速观测误差下降5.602r/min,位置跟踪误差下降0.188rad,变转速时转速超调减少3.1%,转速观测误差下降13.275r/min,位置跟踪误差下降0.146rad。仿真结果表明,该方法能够有效提高转速响应,减小转速观测与转子位置跟踪的误差。

关键词： 绝缘栅双极型晶体管   可靠性评估   剩余使用寿命预测   深度学习  

摘要： 在军用设备、新能源汽车和航空航天等领域,绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)正日益占据重要地位。随着IGBT使用占比的不断增加,其运行性能的可靠程度与剩余使用寿命(Remaining Useful Life,RUL)的准确预测对于保障设备稳定运行,避免发生安全事故等方面具有十分重要的意义。由于传统物理模型与解析模型在IGBT的可靠性评估与剩余使用寿命预测中无法取得较好的效果,而部分传统的机器学习方法和浅层神经网络在面对如今大规模的IGBT失效数据集时也无法有效地支持复杂的应用场景。基于深层神经网络的方法对IGBT的可靠性与剩余使用寿命做出有效评估与精确预测。在对IGBT的工作机理进行深入分析后,通过与加速老化实验相结合的方式对IGBT的失效机理进行相应探究,并对文献结论进行验证。利用所提方法对IGBT的失效特征参数在时域上做出预测,以模型的预测结果为基准对IGBT的健康状态做出评价并预测其剩余使用寿命。该模型首先通过一维卷积神经网络(One-Dimensional Convolutional Neural Network,1DCNN)与残差神经网络(Residual Network,Res Net)相结合提取特征,并将特征数据输入经过压缩激励模块改进的Transformer神经网络。同时通过改进的基于多种混合策略的蝴蝶优化算法(Butterfly Optimization Algorithm based on Mixed Strategies,BOAM)对神经网络进行相应超参数优化。通过对NASA PCo E实验室公开数据集和加速老化实验数据集的分别验证,实现IGBT的可靠性评估与剩余使用寿命预测。 论文的主要研究内容如下: (1)首先对IGBT失效特征参数与其剩余寿命之间的关系进行验证。针对IGBT实际应用过程中老化速度过慢的问题,选用6支IGBT作为实验材料,通过模拟在不同环境下的加速老化过程来建立IGBT加速老化仿真模型,以实时收集IGBT老化过程中的关键电气参数。 (2)为了能够更好的的神经网络超参数进行优化,在深入研究了蝴蝶优化算法(Butterfly Optimization Algorithm,BOA)的优化机理后,针对BOA算法初始种群多样性薄弱、全局搜索与局部搜索比例始终不变无法合理分配和解质量不稳定的缺点,引入Sinusoidal混沌映射让初始种群实现更合理分布。提出了一种新的动态切换概率公式,使得算法在初期扩大搜索规模,在后期可以快速收敛于最优解附近。引入柯西扰动策略和反向学习策略(Opposition-based Learning,OBL)进行组合随机交替对解质量进行增强,帮助算法跳出局部最优解。通过对多种低维和高维基准函数进行寻优测试,验证了BOAM算法的稳定性和有效性。 (3)为了对IGBT的健康状态做出相应评估,构建了Transformer神经网络,并在其基础上引入压缩激励模块(Squeeze-and-Excitation,SE),通过将Transformer神经网络的查询矩阵Q进行压缩激励操作,使得其能够带有更为重要的特征信息,以帮助Transformer神经网络在全局特征提取上取得更好的效果。通过1DCNN对输入数据进行特征提取,并加入残差网络Res Net防止CNN出现梯度丢失影响特征提取结果。