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关键词： SiC   IGBT   GTO   关断瞬态   开通瞬态   dv/dt   di/dt  

摘要： 近些年来,随着科技的飞速发展,电力电子技术的应用场合正逐渐走向更高温度、更高电压和更高功率水平,而硅（Si）基电力电子器件的性能已然趋近于其材料的物理极限,在新型特殊应用环境中的性能表现差强人意。以碳化硅（SiC）为代表的第三代半导体材料在诸多材料特性方面具有明显优势,随着其相关理论和制备工艺技术的日益成熟,以SiC电力电子器件替换Si基器件的趋势日渐清晰。在所有的开关型SiC电力电子器件中,与SiC MOSFET相比,SiC IGBT和SiC GTO在正向导通过程中具有较强的电导调制效应,因而这两种器件在高压、大电流应用场合的优势均较为显著。目前实验所报道的SiC IGBT和SiC GTO器件的最高耐压均已超过20 k V。然而,由于SiC材料和器件设计的特殊性,SiC IGBT和SiC GTO器件在开关性能方面还存在一些问题,制约了器件特性的进一步提升,也在一定程度上影响了其在电力电子系统中的广泛应用。本论文围绕SiC IGBT器件关断瞬态和SiC GTO器件开通瞬态存在的问题,开展了一系列的机理和理论上的研究工作,研究重点和取得的成果主要体现在以下几个方面: （1）提出了一种从数学上描述SiC IGBT关断瞬态电压变化率dv/dt和关断能量损耗Eoff的解析模型,并据此提出了一种优化关断瞬态dv/dt和关断能量损耗折中特性的调控方法。首先利用二维仿真模型,分析了关断瞬态N-漂移层内的额外载流子变化规律。其次,依据SiC IGBT正向导通过程中额外载流子的浓度与关断瞬态过程中额外载流子抽取电流之间的函数关系,提出并建立了描述dv/dt和关断能量损耗Eoff的解析模型,并通过TCAD仿真结果在宽参数范围内验证了模型的准确性。在此过程中识别了SiC IGBT关断dv/dt和关断能量损耗的关键设计参数,并依据该模型提出了一种调控关断瞬态电压变化率和关断能量损耗折中特性的设计方法。所取得的最优设计结果表明,在不牺牲正向导通压降的前提下,关断能量损耗降低了近60%,同步使得dv/dt降低了80%左右。 （2）提出了一种以N型缓冲层为阶梯式掺杂的软穿通设计方法,降低了SiC IGBT关断瞬态的dv/dt,有效避免了传统穿通型设计关断能量损耗对直流母排电压上升较敏感的缺陷。首先对SiC IGBT的关断瞬态进行了进一步的分析,揭示了穿通现象发生过后dv/dt较高的根本原因,即N型缓冲层内所移除的额外载流子的电荷量较低的缘故。进而从理论上对N型缓冲层内所移除的额外载流子的电荷量及其与设计参数的关系进行了分析,并结合初步的TCAD仿真结果,提出了软穿通设计方法。该方法将关断瞬态所需的N型缓冲层剂量从总剂量中分离出来,从而可以单独地进行浓度调节,即将N型缓冲层设计为两层阶梯式掺杂。软穿通的优化设计可以使得dv/dt降低近60%以上,同时获得40%以上的关断能量损耗的降低。 （3）提出了一种描述SiC GTO开通瞬态的延迟过程和电流上升过程的解析模型,揭示了主导开通延迟时间和电流上升速度的主要物理机制及其关键影响参数。首先通过二维数值仿真观察了SiC GTO在电阻负载电路中开通的电流波形。并根据初始导通阶段电流的启承转折关系,结合所观察到的GTO内寄生晶体管中的载流子输运过程,将开通瞬态分为开通延迟阶段和双晶体管耦合阶段。在此基础上分析了各阶段GTO晶闸管内的电流组分,然后基于电荷控制理论,提出了一种描述SiC GTO开通瞬态电流上升过程的物理解析模型,并通过TCAD仿真的结果在宽参数范围内验证了该模型的准确性和有效性。与此同时,揭示了决定开通延迟阶段和电流快速上升瞬态阶段时间长度的主要物理机制,并详细而深入地分析了各物理机制所涉及到的主要设计参数,广泛讨论了调控开通延迟时间和双晶体管耦合阶段电流上升速度的主要设计方法。 （4）分析了SiC GTO多原胞开通的物理过程,揭示了决定电流开通同步性的主要物理机制,获得了增强电流开通均匀性和同步性的调控方法。首先搭建了SiC GTO的集成式多原胞混模仿真平台,考虑了相邻原胞间的耦合作用以及由电极金属化所引起的寄生电阻对GTO开通瞬态的影响。观察了各阳极欧姆接触上的电流上升瞬态趋势,分析了电流不同步的具体成因;观察了各阳极欧姆接触、各门极欧姆接触以及各阳极欧姆接触—门极欧姆接触之间电压的上升规律,分析了各项电压随着开通时间而上升的直接原因。而后计算了阳极欧姆接触电流在各PNP导通阶段积分所得的电荷量,揭示了各原胞间在PNP导通阶段的电流耦合作用;进一步地研究了原胞间的电流耦合作用对各原胞的电流快速上升阶段的影响,并深入分析了电流耦合作用所发生的具体半导体层。在对多原胞仿真结果深入理解的基础上,提出了增强多原胞间电流开通均匀性与同步性的调控方法,并通过集成式多原胞混模仿真的结果初步验证了该方法的有效性。 （

关键词： IGBT模块   性能退化实验   解析寿命模型   Elman神经网络   遗传算法   组合寿命预测模型  

摘要： IGBT模块是城轨车辆牵引变流器的核心部件,与工业用IGBT模块的工作环境相比,城轨车辆长期工作于频繁启停、急加速和急减速的复杂工况下,牵引变流器内部IGBT模块承受的电、热及机械应力冲击更加剧烈,故障率更高。因此,研究IGBT寿命预测技术对保障城轨列车安全运营及提高城轨运维系统智能化水平具有重要意义。现有的IGBT寿命预测技术存在建模过程复杂、预测精度低和泛化能力不足等问题。针对以上问题,本文研究了基于组合模型的IGBT寿命预测技术,主要工作内容如下: (1)针对IGBT在正常应力下性能退化时间过长及退化数据较难获取的问题,研究一种基于高环境温度应力的IGBT性能退化实验方案。首先分析IGBT失效模式与失效机理,在此基础上从环境温度应力类型及强度、性能退化失效参数和失效阈值三个方面详细介绍IGBT性能退化实验方案,然后搭建IGBT性能退化实验平台并开展实验,最后对实验采集的性能退化数据进行预处理和分析研究,为下文针对IGBT寿命预测技术的研究提供数据支撑。 (2)针对传统IGBT解析寿命模型无法有效评估IGBT性能退化进程的问题,研究一种计及性能退化进程的IGBT寿命预测方法。首先通过仿真对传统解析寿命模型预测的局限性进行分析,然后结合实际应用的需求,设计一种阶段式更新热网络策略并通过实验进行验证。针对传统IGBT数据驱动寿命模型预测精度不足和预测稳定性低的问题,通过实验对比不同神经网络预测性能,据此选用性能更优的Elman神经网络作为寿命模型,同时基于遗传算法(Genetic Algorithm,GA)对模型进行优化,并利用实验验证优化算法有效性。结果表明,改进的IGBT解析寿命模型能更准确地评估模块性能退化进程,但同时模型整体预测精度较低,泛化能力较弱;基于GA优化的Elman模型较传统Elman模型的预测精度和预测稳定性有明显提升,但同时仍存在对数据需求量较大的问题,当训练数据量不足时GA-Elman模型无法有效评估IGBT寿命。 (3)针对IGBT解析寿命模型和数据驱动寿命模型预测的局限性,提出一种基于阶段式更新权重的IGBT组合寿命预测模型。在详细分析现有组合模型优缺点的基础上,结合两种IGBT寿命模型预测的特性,选择基于权重分配的组合方式搭建IGBT组合寿命预测模型,并根据GA-Elman模型预测精度随训练数据量增加的变化规律设计一种阶段式权重更新策略,使用实验获取的IGBT性能退化数据对组合模型预测性能进行测试。实验结果表明,基于阶段式更新权重的IGBT组合寿命预测模型能有效融合两种单一模型的优点,弥补其各自的不足,使得组合模型综合预测性能明显提升。

关键词： 年龄结构   性别结构   一致持续   敏感性分析   最优控制  

摘要： 目前,艾滋病已在世界各地传播.从现有的数据报告中可以得到,近年来,新增加的艾滋病感染者呈现了新的趋势——青年人和老年人的感染人数在不断增加,同时,由于男男性行为感染HIV病毒概率为异性性行为的9倍,因此男性感染者的数量多于女性.本文结合艾滋病的传播特征,针对年龄结构与性别结构建立两类HIV/AIDS模型.首先,详细说明艾滋病的相关知识以及一些预备知识,介绍一些国内外学者对于艾滋病的研究现状和相关结论.第二章,基于不同年龄阶段HIV不同的传播特征,建立一个带有未报告感染者的三阶段HIV/AIDS模型.利用下一代矩阵法计算出基本再生数R0.如果R0<1,则无病平衡点全局渐近稳定.如果R0>1疾病是一致持续的,且地方病平衡点是存在的.通过对不同年龄组实施对应的措施来控制疾病的传播,并使用庞特里亚金极大值原理寻找最优的控制策略.结果表明,增加避孕套的使用是减少感染病例的有效方法.通过数值模拟验证分析结果.根据数据模拟结果可以得知,未来几年中国艾滋病感染者人数将继续上升.第三章,通过考虑同性接触与异性接触来研究HIV/AIDS的传播,建立带有性别结构的HIV/AIDS模型.根据下一代矩阵法求出基本再生数.证明当R0<1时,无病平衡点是全局渐近稳定的.当R0>1时,疾病是一致持续的,并通过数值模拟来验证结论.提出一个最优控制问题并利用庞特里亚金极大值原理进行求解.将模型与实际数据进行拟合,根据模型预测我国HIV/AIDS未来几年的流行趋势.最后,总结现有的研究成果,对今后的研究进行展望.

关键词： 随机线性二次最优控制问题   误差估计   Malliavin可微性   控制约束   倒向随机微分方程  

摘要： 控制带约束的随机线性二次最优控制问题在工程,金融等领域有重要应用,数值求解这类问题有重要的理论和现实意义.求解控制带约束的随机线性二次最优控制问题的方法之一是通过选取适当的离散格式将其离散化,通过求解离散化的随机规划问题获得最优控制的近似解.因此,建立最优控制的离散误差估计非常关键.本文主要研究控制带约束的随机线性二次最优控制问题的离散误差估计.具体内容包括:1)在控制系统扩散项不含控制的情况下,利用Euler差分格式将随机线性二次最优控制问题离散化,建立最优控制的离散误差估计,其中允许控制是随机的;2)在扩散项含控制但允许控制为确定性控制的情况下建立了最优控制的离散误差估计,其中允许控制与样本点无关.随机最优控制的一阶必要条件和随机微分方程解的估计是建立最优控制问题离散误差估计的两个主要工具.

关键词： 绝缘栅双极型晶体管   开启dV/dt可控性   串扰抑制   短路过冲   短路栅极振荡  

摘要： 绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）作为光伏发电系统中逆变环节的核心器件,其本身的可靠性和损耗决定了系统长期运行的稳定性和能效。而光伏逆变器中的IGBT器件长期工作在启停温差极大的高压大电流的工况,这对IGBT在开关过程的可控性和极端应力情况下的稳定性提出了更高的要求。因此为保证系统安全稳定运行,需要在不牺牲损耗的前提下提高IGBT可靠性。本文以一款光伏用1200V/75A IGBT芯片为研究对象,通过实测、仿真、机理分析与部分流片验证相结合的方式,从IGBT本征结构出发对应用中存在的串扰和短路栅极异常现象展开研究,探究内在产生机理,并给出优化和改善方法。 首先,依托实习项目中成熟代工平台,设计开发并流片了一款TO-247 PLUS封装的1200V/75A IGBT单管。结合工艺参数、SEM图、SRP数据及实测静态特性对仿真模型进行校准,并利用Q3D提取封装寄生参数。搭建双脉冲测试平台对IGBT单管进行测试,并与校准后的仿真模型进行对比。为后文分析极限工况下IGBT内部载流子运动机理,探究微观结构差异对器件外特性的影响提供了途径。 然后,结合实测和仿真,明确IGBT本征结构的d Vce/dt可控性与桥臂正向串扰的关联。借助校准模型进行仿真,分析Cgc和Cge充放电行为、栅下电势变化以及不同阶段内部载流子行为,揭示Vce在米勒平台初期快速下降是由少子基区渡越延迟导致栅下空穴堆积引起,宏观表现为栅极负电容效应。建立关键开启阶段物理模型,量化结构参数对d Vce/dt的影响。并将该模型拓展至7代IGBT,提出具有工艺可行性、更优性能、更强开启d V/dt可控性的新结构。进一步的,依托1200V/75A IGBT的工程批流片,选择4片Wafer对基于上述理论的两种工艺解决方法进行验证。 最后,结合光伏逆变器拓扑,对桥式电路中常见短路模式和工作机理进行归纳。针对短路过冲失效,通过测试和仿真明确IGBT结构存在本征短路栅极过冲的倾向,揭示过冲的直接原因是电荷漂移速度对电场依赖性和正面准电导调制区的缓慢形成,基于仿真给出抑制短路过冲的解决方法;针对短路高频振荡,探究IGBT结构和回路寄生参数对振荡的影响,发现栅极振荡的起因是时变的漂移区电场对载流子分布的再调制,导致漂移区中非平衡载流子的反复存储和释放,进而被驱动和功率回路的寄生参数放大。结合机理研究和仿真,从工艺优化、版图设计以及正面结构设计的角度提出三种种可行方法抑制短路振荡,从而提高短路安全工作区（Short-Circuit Safe Operating Area,SCSOA）范围。

关键词： 步进电机   细分控制   硬件设计   矢量控制   全闭环控制  

摘要： 步进电机是一种由脉冲控制的特种电机,结构和运行原理与同步电机相似,可以将其当作低速永磁同步电机来使用,由于步进电机优越的性能,被广泛应用于工业和自动化领域,因此对步进电机的驱动控制技术进行研究具有重要意义。本文选择两相混合式步进电机作为研究对象,对其开环控制技术与闭环控制技术进行研究。步进电机开环控制的方式有很多,在所有的开环控制方式中,最为经典的是细分控制,但细分控制高度依赖于细分驱动芯片,近年来全球出现了一定程度的“芯片荒”,影响了国外细分驱动芯片厂商的生产,进而造成了国内细分驱动芯片一定程度上的短缺,因此细分驱动芯片的国产化替换方案迫在眉睫。针对细分驱动芯片国产化替代的需求,本文提出了一种主控模块+电流采集模块+驱动模块的替换方案,作为细分驱动芯片短缺时的备选方案。首先完成了硬件设计(包括原理图设计与PCB设计)和硬件的调试工作;其次完成了软件程序设计;最后进行了实验验证,利用自行设计的实验平台实现了对两相混合式步进电机的细分控制。步进电机闭环控制主要分为超前角控制和全闭环控制两种,超前角控制方式无法直接控制相绕组电流,转矩输出性能和动态性能一般。因此本文重点对全闭环控制进行研究:步进电机全闭环控制的第一种方式是在电机上安装光电编码器来采集转子的位置/速度信息,针对两相混合式步进电机在跟踪给定速度信号时易受系统不确定性等因素影响而导致的速度闭环系统控制精度会降低的问题,提出一种基于麻雀搜索算法的模糊神经网络滑模控制器(SSA-FNNSMC)。首先,在滑模控制(SMC)的基础上,利用模糊神经网络对滑控制器的等效控,制项与切换控制项进行模糊逼近;其次,采用麻雀搜索算法(SSA)代替自适应律对模糊神经网络的权值进行实时优化,最后通过仿真实验验证了所设计的基于麻雀搜索算法的模糊神经网络滑模控制器具有较强的鲁棒性和动态性能。步进电机全闭环控制的第二种方式是利用观测角对角度进行估计,即无传感器控制方式。本文对基于滑模观测器的两相混合式步进电机无传感器控制系统进行研究,针对传统滑模观测器中存在的抖振问题,提出一种新型滑模观测器。首先,通过引入新型幂次趋近律,解决了传统趋近律中趋近速度慢、抖振大等问题;其次,针对传统反正切函数会将滑模观测器中高频抖振扩大的问题,本文采用锁相环进行替代;最后通过仿真实验验证了本文设计的新型滑模观测器的优越性。

关键词： IGBT器件   正交试验   双面封装结构   风冷散热   液冷散热  

摘要： 绝缘栅双极晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）是智能电网、风力发电及电动汽车等清洁能源应用领域中的重要模块,随着这些行业的迅速发展,IGBT器件的设计研发与可靠性研究已经成为最重要的课题之一。研究表明,温度在电子元器件失效原因中占比高达55%,所以合理的热分析和热设计对IGBT模块的可靠性至关重要。为了满足碳化硅IGBT功率模块的散热要求,本文设计了一种新型的双面针翅封装结构,并基于传热学相关理论,通过有限元仿真和正交试验分析,对双面针翅封装结构进行了优化。根据优化得到的IGBT器件最优结构,设计了双面针翅强制风冷散热和双面水冷散热两种散热方案,以满足芯片结温150℃以下的设计指标。本文主要工作归纳如下: 1.设计了一种新型的双面散热高性能封装结构。以芯片结温为指标,选取了五个可优化的结构参数设计五因素四水平的正交试验,并基于ANSYS有限元软件对IGBT模块进行了温度场仿真。根据仿真结果分析了各个因素对芯片结温的影响,得到封装结构的理论最优组合。结果表明:散热底板厚度和钼柱高度对器件散热的影响较大,且随着散热底板厚度的增加和钼柱高度的减小,芯片结温降低。各因素的理论最优水平组合为纳米银浆厚度0.10mm,金锗厚度0.20mm,钼柱高度4mm,芯片左右间距2mm,散热底板厚度5mm。理论最优器件温度场仿真得到的芯片结温为264.75℃,比十六组正交试验中的芯片最低结温267.24℃降低了2.49℃。 2.基于理论最优封装结构,从两方面优化了IGBT模块的强制风冷散热方案,一方面是优化散热翅片结构,从三种翅片结构中（原矩形翅片、针肋翅片、空心矩形翅片）选择芯片结温最低的翅片结构;另一方面是增大风速,即增大对流换热系数,通过设置不同的对流换热系数,得到了不同风速下的芯片结温。结果表明:空心矩形翅片的散热效果最好,当对流换热系数增大到100W/（m2·℃）时,原矩形翅片理论最优器件的芯片结温为170.10℃,优化后空心矩形翅片理论最优器件的芯片结温为98.70℃,比原矩形翅片降低了71.4℃,降幅约为41.98%。 3.基于多物理场耦合仿真软件COMSOL的流固耦合仿真模块,设计了一种带总流道和二级流道的微流道冷板结构。选取了冷板中三个可优化因素设计了三因素三水平正交试验,分析了不同因素对芯片结温的影响,得到了冷板的最优结构。结果表明:随着微流道宽度、二级入水口数量和入水口直径的增大,芯片结温均先减小后增大。各因素的理论最优水平组合为微流道宽度0.49mm,二级入水口数量9个,入水口直径3.4mm。理论最优结构流固耦合仿真得到的芯片结温为67.6℃,比九组正交试验中的芯片最低结温68℃降低了0.4℃。 4.考虑到功率模块的实际使用场景,选取BL Series微泵,确定微泵安装方案,并对安装微泵后的水冷散热结构进行了流固耦合仿真,得到该水冷方案的芯片最终结温。结果表明:微泵安装会增加流体流动的沿程阻力,导致芯片结温升高,芯片最终结温为80.6℃。

关键词： 网络化控制系统   事件触发机制   控制约束   最优控制   分布式控制   最终一致有界  

摘要： 网络化控制系统作为工业领域中重要的基础设施,已深入到经济、文化、政治和社会等各个领域。在加快社会发展进程的同时,也极大提高了人类的生活和工作质量。随着网络技术的飞速发展,网络化系统结构愈发复杂多变,其应用领域也在发生着翻天覆地的变化。在网络化系统中,其数据的有效传输常常依赖于网络中的有限带宽,但是在系统趋于稳定的过程中,其传输的数据有一部分具有较高的相似性。因此,为了减少这种不必要的相似数据传输,相关学者开始设计合理有效的通信协议来大幅提高网络带宽的利用率;此外在控制方法设计层面,如何采取最优的控制策略使系统能够以最小成本达到最终稳定,也是相关控制领域内研究的热点话题。基于此,本文主要研究内容如下:本文首先研究了一类非线性网络化控制系统(NCS)在网络带宽有限和受外界扰动情况下的最优跟踪控制问题。针对给定的NCS系统模型和参考跟踪系统模型,其所研究的最优跟踪控制问题被转化为成本最优化问题。然后引入用于节约带宽的事件触发机制,结合贝尔曼最优化理论,将优化问题转化为基于事件触发的Hamilton-Jacobi-Isaac(HJI)方程的求解问题,并由此得出控制信号的更新策略。随后本文证明了在所设计的最优控制和干扰策略下,目标系统可以达到最终一致有界(UUB)意义上的稳定性。并且区别于现有研究成果的是,本文中设计的干扰策略可以周期性地变化,而控制策略只能在事件触发的瞬间更新。此外,本文还提出了一种基于强化学习(RL)的算法来求解HJI方程的数值解,从而解决所研究的跟踪控制问题。并且通过理论分析和仿真,最终证明了算法的有效性。针对一类受控制约束和通信资源约束的非线性网络化互联系统(NIS),本文通过设计基于策略迭代和自适应事件触发机制的学习算法实现了其最优成本下的分布式控制问题。首先将整个NIS的分布式最优控制问题转化为对应标称子系统的N个最优控制问题;然后通过运用最优控制理论,结合所建立的成本函数和用于合理调度数据传输的自适应事件触发机制(AETM),进一步得出事件触发下的HJI方程与控制策略的更新法则,并在此基础上保证了NIS的UUB稳定性能。此外,本文还提出了一种基于RL的事件触发最优控制算法,并利用Actor-Critic神经网络的近似逼近原理,用以获取HJI方程的数值解,同时基于李雅普诺夫稳定性定理证明了该算法下标称子系统的UUB稳定性。最后,通过仿真实验验证了所设计的基于RL的迭代控制算法的有效性。

关键词： 能量总线   电池管理系统   移相控制   SOC估计  

摘要： 随着新能源技术的不断发展和人们绿色低碳意识的不断提升,能源发展加快向清洁低碳转型,储能模式及技术多样化发展,储能是支撑新型电力系统的重要技术和基础装备。新能源发电具有随机性与间歇性,供电形式和能量流动方向多样化,传统电力设备难以满足电能控制的多样性和复杂性的要求,分布式能源发电及与其匹配的储能装置广泛应用。储能电池单元是能量总线系统的重要设备,其电池管理系统具有重要的研究意义与应用价值。本文以电池管理系统为研究对象,从系统的拓扑结构、基本原理、控制策略等方面出发,重点针对系统的电池管理、充放电控制技术与电池荷电状态(State of Charge,SOC)估计展开研究,具体内容包括:通过对能量总线系统结构的研究,确定能量总线拓扑即系统整体设计方案;通过对系统工作方式的分析,研究了实现双向DC-DC变换器的稳压与功率可控的控制方法;根据系统功能便于电池管理与充放电控制,对电池进行实验测试并参数辨识,采用扩展卡尔曼滤波法对电池SOC进行估计。搭建能量总线拓扑仿真模型,仿真实验结果表明,能量总线拓扑结构运行稳定;对于变换器控制方法,在MATLAB/SIMULINK中搭建变换器电路仿真模型,仿真结果表明变换器控制方法能有效的完成预设的控制目标,稳态、动态性能良好;依据实验数据,建立扩展卡尔曼滤波SOC估计模型,估计结果具有较高精度,符合设计要求。对实验样机的软硬件具体实现进行设计。搭建实验样机,完成了电池进行充电、放电实验,并对DC-DC变换器的运行波形进行测试,实验结果基本符合设计要求,且变换器运行在软开关状态。上述实验结果验证了本文所设计能量总线电池管理系统运行的稳定性与可行性,所设计电池管理系统与DC-DC变换器能够应用于能量总线系统。