教学课程资源库 更多>>

关键词： Insulated gate bipolar transistors   Wire   Finite element analysis   Bonding   Shearing   Temperature measurement   Junctions   Substrates   Morphology   Surface morphology   IGBT module   Al bonded wire-Al metallization layer bond interface   bond interface degradation   cohesive zone modeling   shear test   microdefect  

摘要： For high-power modules with wire bonding as the interconnection method, fatigue damage and cracking at the bond interface are important forms of module failure. However, the currently used numerical models of the bond interface neglect the influence of microdefects and damage evolution of the interface material and cannot accurately describe the degradation process of the mechanical properties of the bond interface. In this work, the shear strength of the Al-bonded wire-Al metallization layer bond interface of an insulated-gate bipolar transistor (IGBT) module after different numbers of power cycles was measured via shear tests, and force-displacement (F- $\delta $ ) curves and fracture surface morphologies were obtained. The experimental results indicate that the bond interface strength decreases significantly as the number of power cycles increases. To describe this phenomenon, the cohesive zone model-based finite discrete element method (CZM-based FDEM) is introduced in the bonding zone;that is, the bonding zone is discretized via triangular elements, and cohesive elements are inserted between adjacent triangular elements to describe the cracking process of the bond interface. By randomly assigning different material property parameters to the cohesive elements, the microdefects can be characterized, and by adjusting the proportions of cohesive elements with different strengths, the phenomenon whereby the bond interface strength decreases during power cycling can be better demonstrated. Finally, a comparison with the results of shear tests validated that this method can effectively predict fracture processes at the bond interface and is able to describe the degradation of the interfacial mechanical properties observed in the experiments.

关键词： IGBT模块   可靠性   Cauer热网络模型   状态监测  

摘要： 绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)目前广泛应用于多种高可靠性系统,例如电动汽车、飞机和工业驱动系统等领域。结温是造成IGBT失效的原因之一,同时也是反映IGBT模块健康状态的重要参考因素,因此,结温的精准监测对预防IGBT模块故障和对其进行寿命评估至关重要,而热网络法是监测IGBT模块结温的重要手段。 在IGBT模块的实际应用中,往往伴随着老化的出现。由于IGBT模块工作时的恶劣环境和其高速开关频率,使得IGBT模块会面临较大的温度波动,因芯片和键合线之间热膨胀系数(Coefficient of Thermal Expansion,CTE)不同,会导致芯片与键合线之间产生热-机械应力,从而造成键合线的失效,引起IGBT模块结温升高,这不仅影响功率变换器的性能,严重时还会造成系统损坏,故对键合线的老化状态监测也尤为重要。同时,虽然随着工艺技术的改进,在IGBT模块生产时会尽量消除焊料层空洞,但仍不可避免,且IGBT芯片在开通状态和关断状态中不停切换,会使焊料层老化程度逐渐加深。焊料层老化在初期时面积很小,但随着老化程度的加深,会使其内部的传热路径改变,使焊料层更容易老化,从而导致模块失效。因此要对IGBT模块焊料层老化程度进行监测。基于上述分析,本文开展了对结温和老化状态监测方法研究,具体内容如下: 首先,针对国内外已有的监测IGBT模块结温的热网络模型法,总结其利弊,并结合IGBT模块物理结构和其中硅胶材料的物理特性,根据其实际热流路径,建立了一种侵入式硅胶测温方法的双向Cauer模型,并研究硅胶温度和芯片温度的关系。 其次由于IGBT模块在实际应用中由于承受热-机械应力,键合线会逐渐发生老化,通过对已有的理论进行分析,研究了基于侵入式硅胶测温方法的IGBT双向Cauer模型计算得到的结温和键合线老化之间的关系,从而提出了一种新的键合线老化监测方法,并用仿真和实验验证其正确性。 最后IGBT模块在生产之初本就存在少量焊料层空洞,且随着IGBT模块的使用老化程度会逐渐加深。针对上述情况,本文通过计算和仿真,研究了利用本文所建立的Cauer模型区分底板和芯片焊料层老化对温度的影响,探究出了一种新的区分焊料层老化的方法,并通过实验验证了其正确性。

关键词： 时变脉冲   定性理论   最优控制   一阶必要条件   二阶必要条件  

摘要： 瞬时突变现象即脉冲现象是广泛存在自然界和科学技术各个领域的一种自然现象。脉冲微分系统是描述带有脉冲现象的发展过程,即兼具离散和连续特征问题的基本模型。基于大量实例,我们提出一类时变脉冲微分系统并分别研究了该时变脉冲微分方程和相应无穷维时变脉冲微分方程的适定性理论,即包括解的存在性、唯一性、周期性以及解关于参数的连续性和可微性,尤其是从几何角度精准刻画了解的脉搏现象（即脉冲时间的分布规律）。在此基础上,我们考虑了时变脉冲微分方程支配的最优控制问题,获得了最优控制的一阶必要条件和二阶必要条件。 研究结果表明脉冲会破坏原系统的固有属性,如原微分系统的解是存在且关于初值有较高的正则性,但相应的时变脉冲微分系统的解可能是不存在的以及解关于初值即使在1空间中也无连续性;原系统没有周期性,但相应的时变脉冲微分系统具有周期性等。此外,微分方程支配的最优控制问题,我们可以通过研究Pontryagin极大值原理（拟变分问题）来获得最优控制。即如果该变分问题有唯一解,则该解必为最优控制。而时变脉冲微分方程支配的最优控制问题,其Pontryagin极大值原理的解往往不唯一（此时常称为奇异最优控制）。这表明脉冲会增强最优控制问题的奇异性。为此,我们引进一些新概念,从几何角度刻画了脉搏现象,获得了时变脉冲微分系统的基本特征,揭示了时变脉冲微分系统与微分系统的本质异同。

关键词： 高速动车组   半主动控制   最优控制   阻尼控制   硬件在环实验  

摘要： 高速化、长里程、气候环境多变等因素会导致高速动车组长期服役性能的劣化,列车上的传统被动减振器在运行过程中不能较好地适应外界条件的变化,进而导致车辆服役性能的下降。因此,需要探索可变阻尼的悬挂控制系统来保证高速动车组在复杂多变的运行工况下仍能保持优良的车辆动力学性能。论文以降低车体和构架的横向振动为目标,提出了二系横向减振器的新型半主动控制方法,并开展了硬件在环的半主动控制实验,检验了控制效果,主要内容如下: (1)新型混合半主动控制策略的设计。基于Matlab/Simulink软件建立了高速动车组四分之一车辆模型,综合考虑了线性二次最优控制策略(LQR)和连续型天棚阻尼控制策略(Continuous SH)分别在中高频和低频范围内的控制优势,通过二者在车体横向加速度频域中的交叉点进行切换,提出了一种新型混合半主动控制算法,实现了从低频到高频的良好控制效果。 (2)基于L-C混合控制策略的整车动力学仿真分析。基于UM-Simulink联合建模方法建立了高速动车组整车模型。并对LQR、Continuous SH和L-C混合控制策略分别进行不同工况下的仿真分析。结果表明,L-C混合控制策略在提升车体平稳性方面效果最好,能在整个频率范围内降低车体的横向振动,并有效地抑制了车轮踏面磨耗且能够保证车辆的安全性。 (3)基于多目标半主动控制策略的整车动力学仿真分析。针对L-C混合控制会增加动车组构架横向振动的问题,引入基于加速度的地棚阻尼控制策略,提出一种新型多目标控制策略,并在不同工况下开展了整车仿真分析。结果表明,多目标半主动控制策略可以通过调节权系数降低车体和构架的横向振动。 (4)基于硬件在环的半主动控制实验研究。搭建了硬件在环实验平台,分别在正弦激励和随机激励下检验了被动、LQR、Continuous SH和L-C混合控制策略对车体横向加速度的控制效果。实验结果表明,L-C混合控制策略能够输出更宽的控制电压和阻尼特性,抑制车体横向振动的效果最好。 研究结果对发展高速动车组悬挂系统半主动控制方法,提高更高速度等级动车组运行平稳性具有一定的理论和应用价值。

关键词： 机械臂   阻抗控制   神经网络   最优控制   确定学习  

摘要： 当前,机械臂的交互控制技术在众多领域和应用场景中得到广泛应用,这对机械臂的灵活性、准确性以及安全交互能力具有较高的要求。然而,机械臂的复杂非线性特性使得其动力学建模较为困难。同时,在不同应用场景中根据交互对象的具体物理特性及动态行为选取交互参数尤为关键。为应对这些挑战,本文基于最优控制理论与确定学习理论,结合阻抗控制思想,对动力学模型未知的机械臂交互控制策略进行研究。主要研究内容包括: 首先,针对动力学模型未知的机械臂系统的柔顺交互控制问题,本文设计基于确定学习的机械臂阻抗控制方案。该方案基于阻抗控制思想设计误差变量并采用径向基函数神经网络对系统中未知非线性动态进行逼近,并设计自适应神经网络阻抗控制器,实现机械臂柔顺交互控制,进一步基于确定学习理论设计阻抗学习控制器。可在机械臂执行相似交互任务时避免对神经网络进行重复训练,提高机械臂柔顺交互控制性能。 其次,为使机械臂具备自主选取柔顺交互参数的能力,本文设计基于确定学习的最优柔顺交互机械臂跟踪控制方案。该方案针对机械臂与工作表面进行柔顺交互的跟踪控制场景,使用积分强化学习算法在未知工作表面物理特性的条件下求解柔顺交互模型的最优控制问题,得到最优柔顺交互参数。进而,运用阻抗控制与滑模控制思想设计自适应神经网络控制器,并基于确定学习理论进一步设计学习控制器,提高机械臂柔顺交互及其任务跟踪控制性能。 最后,为拓宽上述设计思想的应用场景,本文设计基于确定学习的机械臂最优人机交互控制方案。该方案利用积分强化学习算法在不同交互任务与未知操作员运动特性的条件下求解人机交互模型的最优控制问题,得到最优人机交互参数。之后,运用阻抗控制思想设计设计人机交互自适应神经网络控制器,进一步基于确定学习理论设计学习控制器,提高人机交互控制性能。此外,当机械臂系统受到外部未知扰动影响时,设计基于扰动观测器的学习控制器,增强系统抗扰动能力。

关键词： 三电平逆变器   直接转矩控制   中点电压平衡   切换开关表   电压幅值跳变   切换SVPWM  

摘要： 由于转矩和磁链脉动较大、电流谐波畸变严重,以及逆变器开关频率高等原因,传统的两电平逆变器的直接转矩控制不能满足高性能控制要求。相较于两电平逆变器,三电平逆变器拥有输出电平数量多、开关管数量多能够有效降低谐波、减少电压应力和开关频率、提高控制精度等优点。因此其能够被用来改善传统直接转矩控制(Direct Torque Control,DTC)。然而三电平逆变器直接转矩控制也存在开关表的构建复杂、中点电压平衡、过高的电压幅值跳变(dv/dt)以及逆变器开关管控制复杂等问题。这些问题往往互相耦合,需要综合考虑。为解决这些问题,本文以中性点钳位型三电平逆变器的永磁同步电机直接转矩控制为研究对象进行研究,主要研究内容如下: (1)提出了基于切换开关表的三电平逆变器DTC算法。针对NPC三电平逆变器的中点电压不平衡问题,分析基本矢量对中点电压的影响后,提出了一种新的中点电压平衡策略。在新的中点电压平衡策略基础上研究了一种切换开关表的三电平逆变器DTC算法并建立仿真模型验证所提控制策略正确性。仿真结果表明系统能够在保证中点电压平衡的情况下,准确的控制转矩和磁链和速度,并且电流、转速等性能良好。 (2)提出了基于切换SVPWM的三电平逆变器DTC算法。针对基于切换开关表的三电平DTC系统电压幅值跳变过高以及开关表的构建复杂的问题,分析电压幅值跳变的原因并提出避免过高电压幅值跳变的策略。结合空间矢量调制(Space Vector Pulse Width Modulation,SVPWM),提出了一种基于切换SVPWM的三电平逆变器DTC算法,最后在仿真平台上进行验证。仿真结果表明系统没有发生过高的电压幅值跳变,并且转矩脉动得到抑制。 (3)搭建基于三电平逆变器DTC系统的硬件实验平台。完成了控制和驱动板的硬件电路设计与调试,同时给出部分器件的选型,给出主程序和部分重要子程序的软件设计流程图。将所提的两种控制算法在硬件实验平台上进行实验验证,实验表明基于切换开关表和基于切换SVPWM的三电平逆变器DTC算法都能够在保持中点电压平衡下安全可靠运行,并且基于切换SVPWM的三电平逆变器DTC算法能够避免线电压和相电压的过高幅值跳变。

关键词： 最优控制   多种群竞争   食物链   共轭方程组   年龄-性别结构  

摘要： 近些年来,人们已经把生物种群作为可再生资源进行开发.这样一来,种群内部的个体年龄分布、社会等级等一系列因素就会对实际的经济收益造成直接或间接影响.因而有关于生物种群的控制理论研究就显得十分重要,尤其是在最优控制方面的研究.而目前多数的文献研究的还是单一或两种群时的情况,但在实际情形下,更多种群的情况更为普遍.因此就有必要考虑研究多种群的生物种群模型. 而在生物种群中,等级地位差异、雌性数量均是极其重要的因素.有许多例子已经表明,这些因素会影响种群的平均生育率和死亡率.就以雌性数量来说,如果一个种群中的雌性数量过多,雄性就不能与所有的雌性配对,即使和剩下的、未配对的雌性配对,雄性也可能很快就会失去活力,进而死去.这样一来,一方面,种群的平均生育率就会下降了;另一方面,在这一群体中的雄性会因逐渐失去体力,致使免疫系统减弱,最终迎来死亡,那些已经退化了的雌性也可能在下一次交配后死于难产,这种种就导致了种群平均死亡率的上升.在人工养殖的农场当中,情况更是如此.所有的这些都将可能对个人或集体的经济利益产生重大影响.因此,对于这些因素的研究也是非常必要的. 基于此,本文研究两类多种群的模型以及一类具有新结构的多种群生物模型. 第二章考虑一类具有年龄等级结构的n维食物链种群系统的最优收获问题,首先利用Banach不动点定理,研究系统解的适定性;其次构造极值化序列和运用相关的紧性定理证明控制问题最优解的存在性;最后通过构造共轭系统和利用法锥概念的刻画,得出控制问题最优解的一阶必要条件. 第三章讨论的是一类具有年龄等级结构的n种群竞争模型的最优收获问题,首先需利用压缩映射原理来研究系统解的存在唯一性;其次运用极值化序列和相应的紧性定理来证明控制问题最优解的存在性;最后构造适当的共轭方程组和利用法锥的概念刻画,得出最优收获控制问题解的一阶最优条件. 第四章则是研究一类新结构,即一类具有年龄-性别结构的两种群竞争系统的最优收获问题,首先运用压缩映射原理研究系统模型解的适定性;其次构造极值化序列以及运用相关的紧性理论证明最优控制问题解的存在性;最后建立共轭方程组,并根据法锥的概念刻画,得到极大值原理.

关键词： 绿色拖轮   永磁推进系统   直接转矩控制   滑模变结构控制   断相容错控制  

摘要： 在现代航运技术迅猛发展的背景下,船舶行业呈现出强劲的增长势头。然而,这一进展亦伴随着前所未有的环境挑战,尤其是海洋污染问题,这一问题已经得到了国际海事组织(IMO)和各国政府的广泛关注。在此背景下,拖轮作为海洋航运中不可或缺的组成部分,负责拖曳各类船只,其工作状态与常规船舶航行存在显著差异,面临着负荷功率频繁波动和突变的问题。因此,提升拖轮推进系统的安全性和稳定性,增强运行效率,同时降低成本,对于我国实现“双碳”目标具有重大的战略意义。 本文首先对绿色拖轮的应用现状进行了阐述,分析了目前国内绿色拖轮所存在的弊端。研究了融入锂电池-超级电容混合储能系统的绿色拖轮永磁推进系统的组成和相关理论,建立模块化的绿色拖轮永磁推进系统仿真模型,包括柴油发电机组模型、混合储能系统模型、推进电机模型及螺旋桨模型,通过实验室实验平台与仿真对比,验证了模型的准确性。 其次,对拖轮推进系统控制策略进行优化,将滑模变结构融入到直接转矩控制中,与仿真实验对比分析,平滑了推进系统输出,提高了控制系统的性能。对采用的指数趋近律进行了优化,并进行仿真对比分析,对比结果表明进一步提升了控制系统的稳定性与响应速度。为提高拖轮运行时的安全性,在融入滑模变结构的拖轮推进系统中进行了推进电机断相故障容错控制研究,对推进系统进行断相容错仿真分析,分析结果表明控制系统可以在断相故障下实现降载运行,提高了拖轮运行的安全性。 最后,以实际的拖轮设备参数为基础,构建了完整的绿色拖轮永磁推进系统,将优化后的滑模变控制和断相容错控制集成到拖轮控制系统中,以提升绿色拖轮电力系统安全性、稳定性及经济性。对拖轮典型运行工况进行了仿真分析,分析结果表明,融入混合储能的绿色拖轮永磁推进系统能够有效地对发电单元的输出功率进行分配,确保推力的稳定输出。无论是满载运行还是面临故障时的降载运行,该系统均能满足实际操作的需求。