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摘要： 安森美宣布推出采用了新的场截止第7代（FS7）绝缘栅双极晶体管（IGBT）技术的1 200 V SPM31智能功率模块（IPM）。与市场上其他领先的解决方案相比，SPM31 IPM能效更高、尺寸更小、功率密度更高，因而总体系统成本更低。由于这些IPM集成了优化的IGBT，实现了更高效率，因此非常适合三相变频驱动应用，如热泵、商用暖通空调（HVAC）系统以及工业泵和风扇。

关键词： thermal management   IGBT   switching devices   numerical simulations   infrared thermography   power electronics   electronics cooling  

摘要： The thermal reliability of two different high-power insulated gate bipolar transistor (IGBT) modules was studied under both conduction and switching regimes by experimental and numerical approaches. Indeed, the reliability of semiconductor devices is tightly linked to the junction temperatures reached in the IGBT, which is a function of the diode chips present in such devices and its operating condition. However, measurements of the semiconductor temperatures are often difficult to be done, thus requiring modeling and simulation tools to accurately evaluate the instantaneous temperature under different thermal loads. For this reason, a transient 3D heat transfer numerical model of two different IGBT power devices was proposed using the Finite Element Method, assuming that heat is dissipated on the IGBT by natural convection and radiation. These simulations were validated with experimental measurements, obtained through infrared thermography, performed for the IGBT modules either opened or enclosed, varying the heat source, the module orientation and under conduction or switching regime. For the switching regime, power losses due to the gate-closing and gate-opening transitions between conducting and non-conducting states were taken into consideration. The heat losses were modeled assuming the time-dependent heat dissipation obtained by previous electrical simulations, and it was compared with time-averaged heat source solutions. Results showed that averaging the heat source can significantly reduce the computational time, allowing quick design explorations. Overall, the numerical model led to deviations of less than 16% over the transient heating and at steady-state. Finally, the impact of a heat sink attached to the IGBT was studied, demonstrating that the proposed model can be used for accurate and quick investigations of potential failures and for the development of more efficient IGBT devices.

关键词： 旁路柜   变频器   循环水泵   DCS   控制逻辑  

摘要： 近年来,随着新能源装机占比逐步增加及国家特高压工程实施,火电厂生存逐步陷入困境,火电厂在逆境中寻找生存,积极对机组进行节能降耗改造,无疑是火电厂降低经营成本的方法之一。火力发电机组的设备节能降耗技术对于提升火电厂的运行管理和提高电厂的经济效益有直接关系,火电厂水冷机组循环水系统节能降耗改造是节能降耗改造的一部分,火电厂循环水泵通常设计为一运一备,通过循环水进入凝汽器冷却汽轮机低压缸排汽;在机组正常运行时,常规循环水泵维持系统真空,循环水泵配置的功率普遍偏大,在机组冬季等温度较低时造成了不必要的能量损耗。在保证机组真空的同时,循环水泵改变频可以解决机组运行期间循环水泵能耗大的问题,通过DCS系统控制增加变频器控制与原有循环水泵的联系与配合。

关键词： IGBT   微细沟槽   低损耗   Vceon和Eoff折衷关系   抗短路能力  

摘要： 绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）因其损耗低、易驱动等优异性能成为目前最核心的功率半导体器件之一。近年来,为了进一步提升IGBT的性能,IGBT一直沿着微沟槽、窄台面的技术路线发展,器件元胞尺寸不断缩小,目前最新IGBT产品的单位元胞宽度已可减小至1.6μm。但微沟槽窄台面结构会带来饱和特性变差、抗短路能力减弱等问题,这极大的制约了IGBT的发展。本文针对台面不断缩小的微沟槽IGBT器件性能尤其是短路工作特性进行了仿真分析及机理研究,并基于传统载流子存储沟槽栅双极型晶体管（CON-CSTBT）,提出了一种短路能力提升的低损耗微沟槽IGBT器件新结构。主要工作如下: 1.针对微沟槽CSTBT,通过仿真分析了元胞宽度对其电学特性的影响,并揭示了窄台面CIBL效应导致短路能力退化的机理。仿真结果表明:随着元胞宽度从2μm逐步缩小到1.2μm,CSTBT@2μm、CSTBT@1.6μm、CSTBT@1.4μm及CSTBT@1.2μm四个器件BV几乎不受影响。在相同Jce=200A/cm2下,四个器件的Vceon分别为1.693V、1.572V、1.499V和1.314V。与CSTBT@2μm相比,在相同Vceon=1.42V下,其他三个CSTBT的Eoff分别下降了4.1%、12.6%及25.9%;同时,CIBL现象也随着元胞宽度的减小表现得更明显。与CSTBT@2μm相比,其他三个CSTBT的Jce,sat逐渐不饱和,其变化量分别增大到10.1%、11.2%和30.1%,短路耐受时间tsc分别减少了13.6%、18.2%、52.3%。此外,通过对窄台面CSTBT@1.4μm的关键参数进行仿真拉偏,发现其对微沟槽CSTBT的饱和、短路特性都有所影响。 2.提出一种具有微细沟槽的三维CSTBT（Micro Narrow Trench CSTBT,MNT-CSTBT）器件新结构。该结构通过引入微细侧墙栅电极结构,加强了电导调制效应并减小了栅极与集电极间的电容耦合。同时,引入的dummy沟槽屏蔽了高Ncs的不利影响,并减小了MOS沟道密度。因此,所提出的新结构在减小Vceon、获得低损耗的同时还显著提升了器件的抗短路能力。在窄台面下,MNT-CSTBT新结构依然展现出更好的性能。仿真结果表明:在相似耐压等级条件下,CON-CSTBT和MNT-CSTBT在Jce=200A/cm2下的Vceon分别为2.65V和1.57V。与CON-CSTBT相比,MNT-CSTBT的Cgc和Qgc分别降低了98.6%及72.9%。在相同的Vceon=1.56V下,MNT-CSTBT的Eoff下降了29.3%。此外,与CON-CSTBT相比,MNT-CSTBT在饱和状态下的Jce,sat降低了43.6%,在短路工况下的tsc提升了53.2%。

关键词： 差分隐私方法   最优控制   分布式纳什均衡求解   隐私保护   多智能体系统   领导跟随一致性  

摘要： 近年来,随着互联网技术的进步,控制系统逐渐通过网络实现互联互通,传统工业设备由单机处理变成分布式运行,这提高了控制系统的运行效率,但也带来了网络化过程中交互信息的安全问题,其中各类层出不穷的隐私泄露问题更是体现了设计隐私保护算法的紧迫性和必要性。基于以上考虑,本文应用差分隐私方法研究了控制系统和博弈算法的信息安全问题,具体的研究思路和研究内容如下: 首先,考虑到现有的线性系统差分隐私最优控制问题大多关注经典信息结构,本文研究了具有非经典信息结构的线性系统差分隐私最优控制问题。该系统包含两个控制器,其中一个控制器将观测值和历史输入共享给另一个控制器,但由于网络链路的限制,另一个控制器不共享信息。除此之外,系统需要跟踪某一预设的参考信号。通过在观测和参考信号上添加独立的高斯噪声来防止泄露真实的状态信息。针对有限时间和无限时间情况,本文设计了最优线性安全控制器,分析了差分隐私噪声对稳态Kalman滤波器估计误差的影响,并给出了隐私参数?的设计方法,通过计算成本泛函的增量,对差分隐私噪声带来的系统性能下降值进行了量化。 其次,针对非合作博弈的分布式纳什均衡求解问题,本文采取向玩家发送给邻居的信息中添加独立拉普拉斯噪声的方法,来保护原始策略信息。首先设计了定步长的差分隐私分布式纳什均衡求解算法,并证明了算法的收敛性与隐私性。接着为了减少玩家的交互频率,本文分别对一般的博弈和一类特殊博弈:聚合博弈设计了基于事件触发的差分隐私分布式纳什均衡求解算法,通过精心设计衰减步长和衰减因子,提出的两个算法在保证收敛性和隐私性的同时,有效减少了玩家的交互次数。 最后,针对多智能体系统的领导跟随一致性问题,本文通过向智能体交互的状态信息中加入独立拉普拉斯噪声的方法,来避免状态信息被对手窃听。对于状态变量是一维常值的情况,文中设计了安全控制器,并严格证明了该控制器实现了多智能体系统均方一致性和隐私性;接着将差分隐私方法扩展到领导者状态是多维变量情形,基于事件触发机制设计了差分隐私多智能体系统一致性算法,在保证均方收敛性与隐私性的同时有效降低了智能体的通信频率。

关键词： 生物经济系统   自适应控制   最优控制   动态规划  

摘要： 随着现代科学技术的不断发展,人类的生活越来越便利,生存环境也不断扩大,进而导致了生物的原始栖息地逐渐减小。部分生物种群因生存环境被破坏、人类过度干扰等因素而面临严重的打击。面对这些未知和复杂因素对生物种群密度的潜在影响,保证生态平衡和生物种群的可持续发展对社会具有重要意义。为此,本文考虑经济因素和未知因素对生物系统的影响,将最优控制理论应用于生物系统,探寻生物种群可持续发展和人类经济利益之间的平衡。 本文主要针对阶段结构生物经济系统,结合了自适应理论,最优控制和广义系统理论研究了生物种群密度的最优控制问题。主要研究工作如下: (1)研究了带有未知参数的阶段结构生物系统模型的自适应规定时间控制问题。对于具有阶段结构的生物系统,考虑不确定因素对生物种群的影响,加入控制器干预捕食者的种群密度,并将自适应控制的思想引入其中,采用反步法设计了一种自适应控制器,所提出的控制方法提高了计算效率。最后,通过数值模拟验证该自适应控制方法的有效性。 (2)研究了具有阶段结构特征的食饵-捕食者系统模型的最优控制问题。通过稳定性分析探究生物经济系统的平衡特性。提出一种新的能使整体生物经济系统达到最优的自适应动态规划方法,给出最小性能指标,针对生物经济系统建立哈密度函数,设计控制器使所构造性能指标达到最小,显著提高生物经济系统最优控制问题解的计算效率,减小了计算的复杂程度。最后,给出数值仿真验证算法的可行性和有效性。

关键词： 时滞平均场   解的存在唯一性   随机最大值原理   非线性滤波   线性二次控制  

摘要： 近年来,随着随机微分方程的不断发展,对于随机微分方程的研究也愈发深入,随机微分方程被引入到控制系统之中,形成了随机控制系统,并将其发展为随机最优控制理论。经过无数专家与学者的研究,随机控制领域迅猛发展,并取得了丰硕成果。 本文基于前人的研究成果上,进一步研究了部分信息下时滞平均场随机微分方程的最大值原理。将平均场理论与时滞因子引入随机微分方程,构造了包含平均场项与时滞项的状态方程及代价函数,并证明了这类随机微分方程的解的存在唯一性。在满足Lipschitz条件的假设下,运用变分法构建了变分不等式,并证明了其合理性和有效性。通过构建控制系统中状态方程的伴随方程以及带有拉格朗日函数项的Hamilton函数,借助It?公式的有效辅助,给出并证明了时滞平均场随机微分方程的最大值原理。 本文旨在从可容许控制集上寻找一个最优控制ut*,使得代价函数达到最小。因此,本文通过非线性滤波方程求解伴随方程唯一解的最优滤波,计算随机微分方程的条件密度,推出了部分信息下时滞平均场随机微分方程的线性二次控制的显示形式,并利用反复多次数值模拟对金融市场投资组合模型实例进行模拟,将线性二次控制方法运用于债券-股票投资组合模型,结果显示这种控制方法在优化金融市场的投资组合配置、降低投资风险等方面具有显著的有效性和实用性,进一步验证了该方法在实际应用中的可行性。

关键词： 四管Buck-Boost PFC变换器   移相控制   软开关   高功率因数  

摘要： 随着智能手机、平板电脑、笔记本电脑、智能家居设备和电动工具等消费级电子设备的广泛普及,小型大功率充电器的需求越来越大。功率因数校正(Power Factor Correction,PFC)变换器作为家用充电器中必不可少的部分,承担着减小谐波污染的功能。现有的Boost PFC方案可实现较高的PF(Power Factor)值,但为传输更大的功率势必要增大电感和电容的体积,不利于充电器便携式设计。 针对充电器大功率小型化的发展方向,本文提出采用四管Buck-Boost(Four-Switch Buck-Boost,FSBB)变换器作为PFC变换器,既可降低直流侧电压也可保证更高的PF值,同时采用PWM加移相控制可以实现开关管在全域范围内的零电压开关(Zero-Voltage-Switching,ZVS),进一步提高开关频率来缩小整机体积。本文首先分析四管Buck-Boost PFC变换器采用PWM加移相控制的工作原理。其次以实现单位功率因数、稳定输出电压、全域软开关和电感电流有效值最低为目标,建立三个占空比与变换器各个硬件参数之间的准确数学表达式,并详细分析变换器工作模式的切换过程。然后基于前述数学表达式研究一种简单可靠的数字控制策略,给出主功率电感的设计方法,并优化电感值以获得更高的效率。 最后设计搭建了一台基于Ga N管的输入176～264VAC,输出200V/240W,开关频率500k Hz的原理样机,实验结果表明该方案可在全输入电压和全负载范围内实现全管软开关,测量满载时功率因数均达到0.997以上,峰值效率达到97.7%。