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关键词： 功率模块   电热耦合仿真模型   IGBT   有限元热仿真模型   热代理模型   时间自适应方法  

摘要： 随着功率半导体产业的蓬勃发展,功率模块在汽车电子、5G基站、高功率微波等军民领域得到了广泛应用,需求日益增大。然而,高功率密度必然伴随高功耗,功率芯片自热效应导致模块封装内部热量累积,芯片结温大幅上升,进而引发功率模块电学性能、可靠性、可用性退化,影响系统性能。基于精准电热耦合仿真模型的功率模块性能虚拟化测试分析技术是实现电路特性分析、指导设计优化、提升研制效能的有效手段,因此,本论文致力于功率模块电热耦合建模仿真研究,提出了多机制模型协同多物理耦合过程精准建模与快速仿真方法。 本文主要开展了功率模块电热耦合建模与仿真方法研究。以IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)模块电热耦合建模仿真为例,建立了基于查找表电学模型和有限元热仿真模型的电热耦合仿真流程,并基于MATLAB脚本开发了多平台协同仿真控制模块,支撑多类型仿真器自适应协同调度与建模仿真,实现仿真速度与精度均衡。研究了基于SPICE(Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis)电路模型与有限元热仿真模型的PHEMT(Pseudomorphic High-Electron-Mobility-Transistor)射频功率模块电热仿真方法,提出了协同仿真时间步长自适应方法,以温度梯度为参考变量,实现了瞬态电热耦合仿真时间步长自适应调整,保证仿真精度的同时,实现了仿真效率大幅提升。 为进一步提升功率模块电热耦合仿真效率,开展了有限元热仿真模型降阶技术研究,提出使用热等效代理模型替代原有数值模型,实现热仿真加速。简要概述了等效热路模型建模过程,包括基于有限元仿真的热阻抗曲线提取和等效热路的参数拟合方法。基于有限元热仿真模型研究了IGBT模块中不同散热条件对模块中各层材料热阻、芯片间耦合效应对热阻抗曲线的影响,并采用分层级建模方式,构建了可表征热耦合效应的三维热阻网络。通过将代理模型计算结果与有限元仿真模型结果对比,验证了其置信度。 以热等效代理模型为基础,构建了更高效的功率模块电热耦合仿真方法。基于MATLAB开发多工具协同仿真控制脚本,实现热模型与电功耗模型耦合迭代,同步加入时间自适应算法,实现功率模块电热耦合模型降阶与仿真加速。以IGBT模块为例,开展了仿真模型计算精度与计算效率的验证,结果显示,相较于基于有限元热仿真模型的时间自适应电热耦合仿真方法,仿真效率得到了进一步的提升。 综上所述,本论文针对功率模块电热耦合建模与快速计算方法展开了一系列研究,以芯片功耗模型和有限元热仿真模型耦合迭代仿真方法研究为起点,通过引入时间步长自适应、模型等效等技术,对耦合仿真模型进行层层降阶,最终构建了基于芯片功耗模型和热等效代理模型耦合迭代的时间自适应功率模块电热耦合仿真模型,极大地提升了仿真计算效率,为功率模块协同仿真设计提供理论指导与技术支撑。

关键词： 电机控制器   IGBT   散热特性   有限元分析   响应面优化  

摘要： 电机控制器是纯电动商用车三电系统的核心之一,绝缘栅双极型晶体管(IGBT)作为电机控制器驱动的核心部件,其可靠性对整车系统安全稳定性至关重要。随着功率器件集成化发展,IGBT模块的热流密度增加导致电机控制器散热问题日益突出。因此,设计控制器冷却系统对于保障电机控制器高效稳定运行具有重大意义。本文以某纯电动商用车高功率电机控制器为研究对象,通过对电机控制器的热管理分析和优化研究,改善了控制器的工作温升情况,其研究内容如下: 首先,通过对电机控制器的主要热源——IGBT模块进行损耗分析,计算出电机运行在额定和峰值功率下控制器的稳态损耗,并确定瞬态条件下,器件损耗随工作时间及芯片结温变化的关系式,为后续稳态和瞬态仿真分析提供一定参考依据。 其次,建立电机控制器有限元仿真模型,根据功率损耗计算结果和控制器实际运行工况设定边界条件,应用Fluent软件对电机控制器模型分别进行稳态和瞬态仿真分析,得到不同工况条件下的电机控制器温度场分布和流道压力分布。初步分析了冷却液流量对电机控制器散热效率的影响,结果表明,当冷却液流速超过3m/s时,流速增加对散热性能的提升非常小,同时还会使散热器的压降大幅度增加。在冷却条件能够满足散热要求的前提下,将冷却液流速控制在1m/s-2m/s之间能够进一步提升冷却效率。瞬态热分析结果表明,IGBT芯片的瞬时温度在器件开关过程中会出现周期性变化,并且在考虑芯片发热对损耗的影响时,芯片瞬时温度的变化幅值会显著增加。同时利用电机对拖试验,测量电机控制器运行过程的实际温升数据,比较台架试验的温度采集数据和有限元分析结果,验证了仿真计算结果的准确性。 最后,通过稳态仿真对影响电机控制器散热效果的因素进行进一步分析,综合考虑不同冷却液流速、不同水路结构及导流槽数量和外形尺寸对控制器温升的影响,从而确定电机控制器的冷却系统布置。采用ANSYS软件构建响应面模型,对冷却水道的导流槽相关参数进行优化,以导流槽的长、宽、高和间距尺寸为设计输入参数,综合考虑芯片结温和流道压降,最终确定优化方案的导流槽数量为5,导流槽长宽高为74.5mm×3.9mm×9mm,优化后IGBT芯片的最高温度降低约1.8℃。 本文通过对纯电动商用车电机控制器散热特性的深入研究,结合传热学和流体力学理论基础,采用理论分析、仿真计算和实验验证的方法,探讨了影响散热效果的各个因素,并利用响应面优化设计提升了电机控制器工作时的散热性能,为电机控制器的散热设计提供一定参考。

关键词： 永磁同步电机   转矩脉动抑制   滑模观测器   迭代学习控制   黏菌优化算法  

摘要： 永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)在效率、功率密度、转矩惯性比、可靠性等方面具有优越的性能,在工业实践中得到了广泛应用,但其控制系统相对复杂。电机机体设计加工时产生的误差和控制器的非线性特性,使得PMSM的输出转矩出现抖振,而该现象便被称为转矩脉动,它会导致低速时的机械振动和高速时的声学噪声,使伺服系统性能降低。所以抑制电机转矩脉动在高精度伺服控制系统当中极为重要。为此,本文在电机矢量控制系统的基础上,以迭代学习控制补偿交轴电流,并通过混沌映射后的黏菌优化算法对迭代学习控制器中的主要控制参数进行在线优化整定,实现转矩脉动抑制。该算法能够有效提升控制系统的工程适配性,减少对参数的手动调校,也能提高转矩脉动抑制的效果,本文所开展的主要工作概括如下: (1)介绍理论基础并搭建模型。深入剖析永磁同步电机的基础构造及其矢量控制系统的理论框架,运用数学方程式实现了坐标变换,展示磁通势正逆变换过程。引入并阐述空间电压矢量控制策略(SVPWM),并以此策略为核心开展了双闭环矢量控制(FOC)系统仿真模型的搭建工作。这一系列工作为后续电机参数识别以及转矩脉动抑制方案的设计奠定了基础。 (2)转矩脉动影响因素研究。提炼转矩脉动关键特性公式,揭示定子三相电流中蕴含的5、7次高次谐波成分。进一步研究得出,该电机的电磁转矩主要源于基波分量以及6次和12次谐波分量的综合作用。同时,考虑到普通控制系统仿真无法模拟真实的电机机体带来的磁场谐波畸变问题,以生产实践中容易出现的永磁体结构误差为研究对象,通过联合仿真的形式针对气隙磁通畸变和逆变器非线性特性对电机转矩产生的影响展开了研究,将高频谐波分量造成的周期性转矩脉动作为本文转矩抑制针对的主要对象。 (3)优化设计PMSM参数辨识功能。为替代机械传感器对转子位置及电机转速信号进行估计与获取,在转速电流双闭环FOC的基础结构上,采用滑模观测器进行对位置和转速进行辨识,并对滑模观测器的控制函数、滤波器、转子位置和转速计算方式三个主要环节进行改进,通过仿真分析验证了该方法的有效性,。改进滑模观测器得到的估计值可代替传感器反馈信号,为后续的电流补偿提供信号参考。 (4)PMSM转矩脉动抑制方法研究。在构建的FOC控制系统中,聚焦于抑制由电机气隙磁场谐波畸变和逆变器非线性特性引发的周期性转矩脉动问题。为此,运用迭代学习(ILC)控制理论,设计出一种新型抑制策略。该策略借助周期触发器、滑模观测器以及电流信号精确提取关键参数,对矢量控制中的轴电流实施补偿;同时,利用混沌映射后的黏菌优化算法优化迭代学习控制器参数设置。在Matlab/Simulink仿真环境下,建立了相应的仿真模型来验证此转矩脉动抑制算法,并通过仿真器在线控制电机对拖测试平台,进行了实物试验。通过对比仿真及实验结果可得出,本研究提出的转矩脉动抑制方案能够有效地降低并控制转矩脉动。 本文的创新点如下: (1)优化了电机控制系统滑模观测器的参数辨识功能,以新型分段函数降低过零点时的抖振、以可调中心频率的复系数滤波器减少相位偏差造成的估计误差,保障了FOC和ILC所需反馈信号的可靠性。 (2)基于ILC电流补偿策略,引入黏菌优化算法并进行改进,设计了可以自整定迭代学习控制参数的新型PMSM转矩脉动抑制系统,提升了优化整定的速度,使转矩脉动抑制的效果更加显著。

关键词： 电流传感器   罗氏线圈   压接型IGBT器件   电流测量  

摘要： 在碳达峰、碳中和政策的指导下，我国提出构建新型电力系统，其中，柔性直流输电作为新型输电技术，可以灵活调控能量，优化电网潮流分布、增强系统稳定性，有效解决新能源大规模并网后随机性间歇性的问题，正逐步得到研究和实施。高压大功率IGBT器件热阻低、双面散热，可靠性高，是柔直输电中换流阀和断路器的核心器件，为了更好地适应大电流的发展，常常采用并联压接的封装形式。但是，由于并联芯片支路芯片参数、封装寄生参数和压装状态的差异，容易导致电流分配不均的问题，进而可能会影响器件长期可靠应用甚至导致芯片击穿失效。因此，对压接型IGBT器件内部并联芯片进行电流测量是电热均衡调控、电路健康状态监测的重要基础。　　PCB罗氏线圈电流传感器由于其高带宽、电气隔离、结构尺寸小的优越的性能，十分适合用于测量压接型IGBT器件的内部电流。本文对PCB罗氏线圈电流传感器从以下三个方面开展研究:　　首先，阐述了罗氏线圈的工作原理，建立了宽频等效电路模型。分析了线圈模型参数对输出结果的影响，接着，利用有限元仿真软件提取线圈的宽频模型参数。并且，用阻抗分析仪测量线圈的阻抗，采用实验测量的方法提取了实际的参数，最终确定了线圈宽频模型和参数。　　然后，论述了积分器的工作原理，对比分析了积分器的不同拓扑结构，揭示积分器的元件参数对输出特性的影响。探究了积分器的电阻、电容参数对传感器输出的高频平稳度、增益倍数和带宽的影响机制，提出了 Khigh、Gain和fhigh三个阻容参数的函数，进一步量化了影响程度;并且，掌握了运放的压摆率SR、带宽增益积GBP和失调电压VOS等参数对输出准确性的影响规律。　　最后，以八芯片并联IGBT双脉冲电流为测量对象，设计了八芯片方形有屏蔽罗氏线圈传感器的结构，通过频域和时域电路仿真，验证了积分环节最优的元件参数选型方法的合理性。又针对研制的八芯片PCB罗氏线圈传感器进行实验验证，通过信号发生器评估传感器还原不同频率正弦信号的准确性，掌握了传感器的带宽信息;测量了压接IGBT的芯片开关电流特性，通过和商用罗氏线圈的对比分析，证明了自制传感器能够实现对芯片电流的高频感知和准确测量。

关键词： 自适应动态规划   积分强化学习   滑模控制   事件触发   神经网络  

摘要： 非线性系统的最优控制问题是控制领域重要的研究课题之一。随着计算机技术的进步和发展,非线性系统也越来越复杂,传统的非线性控制理论难以满足日益增加的控制要求。自适应动态规划(Adaptive Dynamic Programming,ADP)方法结合了动态规划、强化学习和神经网络等技术,成功地解决了传统动态规划求解过程中出现的“维数灾难”问题,为非线性系统最优控制问题的求解提供了新的方法和思路。但是,在已有的ADP控制方法中仍存在能够改进的地方:(1)在传统的ADP方法中,其性能指标函数的设计大部分是基于控制量、状态量或误差量,采用这种性能指标函数的方法其系统响应速度仍有待改进。(2)ADP方法在求解过程中需要已知非线性系统完整的数学模型,而对于越来越复杂的非线性系统来说,通过已有的线性化技术和非线性理论很难得知准确且完整的数学模型,这为ADP方法的实际应用带来了限制。(3)非线性系统的外部未知扰动会对系统控制产生影响,严重时甚至造成不可逆的损失和伤害。因此,在实现基本控制目标的情况下解决上述问题是非常有意义的课题。本文的主要工作如下: (1)针对连续时间非线性系统,本文提出了一种基于滑模变量的事件触发ADP控制方法。该方法将线性滑模变量设计到了二次型性能指标函数之中,引入了事件触发机制,得到了基于神经网络的事件触发最优控制输入,实现了非线性系统的最优控制。 (2)针对系统模型部分未知以及控制输入受限的非线性系统,考虑使用积分强化学习(Integral Reinforcement Learning,IRL)技术解决模型部分未知的问题,使用双曲正切函数限制控制输入的取值范围,在非二次型性能指标函数中加入线性滑模变量以加快系统的响应速度。在保证系统稳定性的前提下,设计一个事件触发条件,以节省通信资源。据我们所知,目前还没有IRL方法、滑模控制和事件触发控制的融合控制方法研究。 (3)在上述控制策略的基础上,进一步考虑到非线性系统可能存在的外部未知扰动。首先,基于双人零和博弈的思想,将控制输入和未知扰动分别视为极小值者和极大值者,基于贝尔曼最优性原理得到最优控制输入和扰动策略。其次,将上述策略中的线性滑模变量换为递归终端滑模变量,用来进一步加快非线性系统的响应速度。然后,通过事件触发控制和神经网络技术设计出事件触发控制输入,并利用李雅普诺夫稳定性理论证明了该控制方法能够保证系统的稳定性。最后,与基于线性滑模的控制策略进行对比,验证了该方法的有效性。

关键词： Caputo-Fabrizio分数阶微积分   分数阶微分方程   Vieta-Fibonacci小波   分数阶最优控制问题   时间分数阶Cattaneo方程  

摘要： 本文主要讨论带Caputo-Fabrizio(CF)分数阶导数问题的Vieta-Fibonacci(VF)小波方法。利用正交VF小波求解了一类带有CF分数阶导数的边值问题的微分方程、3-尺度正交VF求解了一类带有CF分数阶导数的最优控制问题以及二维正交VF小波求解了一类带有CF分数阶导数的时间分数阶Cattaneo方程。 本文主要的工作如下: (1)用正交VF小波求解了带CF分数阶导数的边值问题的微分方程。首先,通过Laplace变换,推导了正交VF小波的Rieman-Liouville分数阶积分公式以及CF分数阶积分公式,然后证明了正交VF小波的误差估计及收敛性,并描述了用正交VF小波求解上述方程的过程,最后用数值算例验证了该方法的有效性。 (2)用3-尺度正交VF小波求解了带CF分数阶导数的最优控制问题。首先,构造3-尺度正交VF小波函数,然后证明了3-尺度正交VF小波的误差估计与收敛性,推导了3-尺度正交VF小波函数的Rieman-Liouville分数阶积分公式以及CF分数阶积分公式,详细描述了用3-尺度正交VF小波求解上述方程的过程,最后用数值算例验证了3-尺度正交VF小波求解最优控制问题数值解的高精度性与有效性。 (3)用二维正交VF小波求解了带CF分数阶导数的时间分数阶Cattaneo方程。首先,构造二维正交VF小波,讨论其收敛性与误差估计,然后详细描述了用二维正交VF小波求解上述方程的过程,最后用数值算例验证了该方法的有效性。 本文的研究结果表明基于正交VF小波求解CF分数阶微分方程具有明显的优势,为求解带有CF分数阶微分方程的数值解提供了新的研究方法,同时也推进了VF小波的研究与发展。

关键词： 辅助供电   隔离型谐振开关电容变换器   移相控制   软开关   级联能馈  

摘要： 地铁列车的稳定、安全运行离不开可靠的辅助供电系统。以地铁列车辅助供电系统的直流降压环节为应用背景,本文提出了一种隔离型谐振开关电容变换器(isolated-resonant switched capacitor converter,I-RSCC),其前级直流支撑电容可自动均压,采用移相控制策略实现电压变换及高效电能传输。 首先,在分析I-RSCC三种工作模式的基础上,选取软开关特性最优的电流连续全ZVS(continuous current mode with full zero voltage switching,CCMFZVS)工作模式开展后续讨论。研究了直流支撑电容与谐振开关电容单元之间的能量传递机制与均压原理,并对电路关键元器件开展参数设计研究。 其次,考虑死区时间内电路寄生参数的影响,对变换器死区时间工作模态进行分析,根据开关电压变化规律推导了不同开关管实现最优软开关的死区时间。为优化不同负载条件下开关管的关断过程,在移相控制策略的基础上引入频率优化控制,通过降低关断电流来提高变换器效率。 为满足I-RSCC满功率测试需求,本文设计了一种能馈式级联I-RSCC(cascaded RSCC+I-RSCC with energy feedback,CRIEF)系统,其主要由陪试样机RSCC与待测样机I-RSCC组成。基于CRIEF系统拓扑及控制策略分析,利用扩展函数描述法开展RSCC及I-RSCC的小信号建模,从而得到相应的输入阻抗和输出阻抗模型。根据不同的功率流向利用Middlebrook判据建立级联系统的稳定边界条件,为CRIEF系统设计提供理论支撑。 为验证理论分析和控制策略的可行性与有效性,本文开展了仿真与实验验证。仿真与实验结果表明,移相控制下I-RSCC具备较好的电压调节能力及负载适应性,结合软开关技术与Si C器件可进一步提升变换器开关频率与工作效率,从而在辅助供电系统中表现出良好的应用前景。