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关键词： RC-IGBT   Eoff-Von折中特性   多元线性回归模型   反向恢复   电压折回  

摘要： 由于逆导型绝缘栅双极型晶体管（Reverse Conduction Insulated Gate Bipolar Transistor,RC-IGBT）同时将IGBT和快恢复二极管（Free-wheeling Diode,FWD）集成在同一个元胞内部,与传统IGBT相比,RC-IGBT的集成度、功率密度得到极大提升,节约了生产、测试和封装成本,并提高了功率循环能力和可靠性。然而,普通RC-IGBT仍存在正向导通过程中的电压折回现象等问题需要解决。此外,与普通IGBT相比,RC-IGBT具有更差的关断损耗-导通压降(Eoff-Von)折中特性,这些问题将会在很大程度上限制RC-IGBT的工程应用。为此,本文提出一种新型RC-IGBT,围绕解决这些问题展开研究。 首先,基于RC-IGBT的基本元胞结构推导出其等效电路,并对它的基本工作原理进行介绍。对RC-IGBT的阻断特性、导通特性等静态特性进行了公式推导、模型近似和理论分析,详细阐述了整个导通过程的载流子输运机制。对RC-IGBT的关断特性和反向恢复特性的测试电路、工作波形、重要参数进行了详细分析和介绍。 然后,以普通RC-IGBT的元胞结构为研究对象,通过逐步设计结构参数、掺杂参数,来综合优化它的输出特性、阻断特性、反向导通特性等静态特性和关断特性、反向恢复特性等动态特性。根据优化后的仿真结果得出,与普通IGBT相比,普通RC-IGBT具有更差的Eoff-Von折中性能,对该现象进行理论分析。在此基础上选取不同导通压降等级的普通RC-IGBT和IGBT单管器件进行双脉冲实验测试,经过数据滤波、计算等过程后,得到RC-IGBT和IGBT的Eoff-Von折中性能曲线,对比得出,普通IGBT比RC-IGBT具有更优的Eoff-Von折中性能,该结论在理论-仿真-实验三个层面一一印证。 最后,提出了一种新型RC-IGBT元胞结构,以Eoff-Von折中性能为最重要的优化指标,同时兼顾解决电压折回问题和器件可靠性,并保证尽可能小的元胞尺寸,对新器件的正面发射区、漂移区、集电区的各项结构参数和掺杂参数不断进行优化设计,得出普通IGBT、RC-IGBT、SJ-IGBT、TPRC-IGBT和新型RC-IGBT的综合性能对比。此外,在优化Gate区参数部分提出一种基于多元线性回归模型的预测方法,能够有效缩短参数优化时间,提升优化效率。最终得出结论,相较于普通IGBT、RC-IGBT、SJ-IGBT和PRC-IGBT,经过逐步优化后的新型RC-IGBT具有最佳的Eoff-Von折中性能,并兼顾阻断、正向导通等重要特性,在实现以上目标的同时新型RC-IGBT具有很小的元胞尺寸,其元胞宽度仅为普通IGBT和RC-IGBT的1/8,极大地提升了器件的集成度和功率密度,此外,新型RC-IGBT还具有最大的击穿电压、最小的正向导通压降和最小的关断时间,达到预期的设计目的。

关键词： 环境病毒   基本再生数   敏感性分析   最优控制   数据拟合  

摘要： 文章首先建立了带有环境病毒的新冠肺炎模型。其次，通过下一代矩阵法求得基本再生数R0，利用Hurwitz判据和矩阵理论分析了平衡点的稳定性。然后，运用庞特里亚金（Pontryagin）极大值原理找到了新冠病毒感染的最佳控制策略。最后，利用数值模拟对上述理论进行了验证，应用偏序相关系数（PRCC）进行参数敏感性分析，将带有环境病毒、不带环境病毒的模型与新冠肺炎爆发早期的全国数据进行了拟合，结果表明带有环境病毒的模型拟合效果更好。

关键词： 无感控制   滑模观测器   指数趋近律   锁相环控制  

摘要： 新能源汽车行业的火热将电池、电机、电控这三大技术的发展又推向了高峰,无感控制技术能保证永磁同步电机高效稳定控制,又降低生产成本,但是这种方法也有小的瑕疵。为解决电机无感控制领域中观测器法的抖振以及动态响应性问题,进行研究和改进,提高电机控制性能。主要内容包含以下方面: (1)研究永磁同步电机滑模控制系统自身的抖振问题,采用指数趋近律来替代等速趋近律,构建滑模观测器,对比分析了等速趋近律、指数趋近律和幂次函数趋近律的控制效果,仿真结果显示,指数趋近律能提高动态响应性能,降低抖振的幅度,取得较好的效果。 (2)在转速估值和转子位置角的获取方法方面,采用了锁相环方法,去除高频抖振的谐波,同时对低通滤波器造成的相位滞后进行补偿。通过仿真,证明锁相环方法能够准确地估计转速并能确定转子位置。 (3)设计了基于滑模观测器的无传感器矢量控制器系统硬件电路,采用STM32F103C8T6芯片作为主控制器,设计了电源转换电路,电流采样电路,电机控制驱动电路、串口通信电路以及防过流保护电路;编写了主循环函数、中断主程序、滑模观测器程序、PI控制程序、矢量控制程序等相关软件。 (4)对硬件和软件进行了安装和调试,调试结果表明,该系统能够完成永磁同步电机的控制,并能够有效减少电机的抖振,在一定程度上提升电机控制的效果。 以上研究取得了一些结果,在电机高质量控制方面有一定的实践意义。

关键词： IGBT   可靠性   有限元分析   短路电流   状态评估  

摘要： 作为新能源技术中的核心装置,功率变流器承担着关键的功率变换任务。在极端的工作条件下,变流器需要具备更高的安全可靠性,以满足严格的要求和标准。绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)是功率变流器中重要的组成部分,也是最容易发生老化失效的元件。IGBT的可靠性关系到整个功率变换能否持续安全高效地运行。通过对IGBT模块进行状态评估,可以有效监测设备的健康状态,及时维护或更换即将失效的IGBT,以保证系统的安全稳定运行。本文以IGBT的可靠性和键合线的状态评估为研究对象,进行了如下研究: 1.介绍了IGBT的主要失效类型及其相应的失效机理,并从理论上研究了模块老化对短路电流的影响,同时以IGBT的实际结构为基础建立有限元模型,基于该模型对焊料层进行多物理场耦合分析。根据焊料层的热应力分布情况,进一步研究了焊料层不同老化形式出现的位置以及相应的增长形式。对比焊料层两种老化形式在相同失效率下热阻的大小,发现空洞对模块可靠性的影响高于裂纹。 2.根据模块芯片上键合线的实际分布情况建立有限元模型,对键合线的主要失效形式进行仿真分析,分别研究了芯片与铜层之间相连键合线的脱落、芯片之间互连的键合线脱落对模块产生的影响。通过对比健康状态与键合线脱落后模块的热应力分布情况,得到了更为符合实际的键合线失效次序,并根据模块温度梯度的变化趋势,将键合线的失效过程划分为三个阶段。 3.搭建了IGBT短路测试平台,对仿真得到的键合线脱落次序以剪断的方式模拟,进行了IGBT短路测试实验。从短路电流波形中取固定时刻下的电流值进行定量分析,根据短路电流的偏差量变化将模块的老化分为三个阶段,与仿真结果一致。为了及时有效地识别出IGBT的运行阶段,使用IGBT短路电流作为特征量,设计了基于卷积神经网络和长短期记忆网络的模型,对不同键合线失效模式下采集的短路电流进行故障判别。实验结果表明,所使用的评估方法可以准确判断出键合线所处状态,验证了所提出的评估方法的有效性。

关键词： 仿射非线性连续系统   最优控制   积分强化学习   神经网络  

摘要： 仿射非线性系统的最优控制问题一直是控制领域中的重点研究问题之一。在保证系统稳定性的前提下,设计控制策略使得代价函数最优是最优控制的重要目标。然而,传统的最优控制方法是基于动力学完全已知展开的,而实际系统由于受强非线性特性的影响,其真实动力学大多难以获得,这限制了传统最优控制方法的应用,因此如何在模型存在不确定性的条件下实现最优控制成为当务之急。在这种环境下,积分强化学习方法应运而生,由于能在部分动力学未知的情况下实现最优控制而受到广泛关注。本文将积分强化学习方法与具体实际问题相结合,探讨如何实现仿射非线性系统的最优控制。在已有文献的基础上,本文主要内容如下:(1)针对带有全状态对称约束且部分动力学未知的仿射非线性连续系统,设计控制策略使得控制系统稳定并且二次型代价函数最优。首先,为了便于后续控制策略的设计和分析,利用系统转换技术将带有全状态对称约束的系统转换为不含约束的虚拟系统。其次,为了减少控制策略的更新频率,基于Lyapunov稳定性定理设计事件触发条件。最后,利用系统的输入输出数据,并采用积分强化学习方法,针对虚拟系统设计控制策略并将其作用于原系统,从而实现对原系统的控制。(2)考虑部分动力学未知且输入受限的仿射非线性连续系统,针对任意型代价函数的优化控制问题,提出目标跟踪积分强化学习方法。首先,基于最小二乘原理,结合神经网络逼近技术,利用系统的输入输出数据近似未知动力学,并用于求解估计稳态点。然后,设计非二次型的代价函数,将控制约束与估计稳态点同时考虑。基于在线积分强化学习方法,设计控制策略使得系统状态以及控制策略收敛到估计稳态点附近。(3)针对部分动力学未知的仿射非线性连续系统的最优控制问题,提出基于泰勒级数的改进积分强化学习算法。相对于传统的积分强化学习方法来说,不仅关注值函数是否相等,而是使用泰勒级数展开项,同时关注值函数以及值函数关于状态的导数对逼近效果的影响。

关键词： IGBT   机器学习   驱动电路   动态特性  

摘要： 绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT）被广泛地应用在大功率场景中,模块的出厂检测过程关系到其使用效率与安全性等问题。然而检测过程对专业测试工程师的要求较高。本文设计了一种IGBT模块动态特性智能测试系统,实现了系统中IGBT模块外观图像信息获取单元与IGBT模块动态特性优化单元,系统旨在提高模块检测的自动化程度,提高模块动态特性优化精度、降低模块使用与维护的难度、节省专业工程师的人力成本。 针对目前IGBT模块检测设备大多是人工操作的问题,本文设计了一种IGBT模块外观图像信息获取单元。首先,本文对样本集进行了图像标注的预处理工作;然后,本文选择适合的YOLOv5网络结构进行训练,完成该功能单元的设计;最后,本文使用精确率、召回率、均值平均精度作为评价指标,衡量神经网络迭代过程中识别效果的变化情况。该功能单元可以自动获取模块当前朝向与位置,与工业机械臂配合完成将模块移动至工装测试夹具中的工作。 为了在IGBT模块动态特性测试过程中,对测试结果提供辅助分析,给用户提供模块驱动电路优化策略,本文设计了一种IGBT模块动态特性优化单元。首先,本文采集IGBT模块的双脉冲测试波形,并进行数据预处理生成样本集;然后,本文使用回归算法与优化算法相结合对样本集进行训练,筛选出生成的最优模型;最后,本文使用最优模型对不同目标进行全局寻优,得到优化策略结果。该功能单元可以在智能测试过程中,判断IGBT模块的动态特性是否合格,并提供该模块对应的驱动优化方案。 本文以英飞凌FF200R12KE3型号的IGBT验证上述两个功能单元的工作效果,结果证明IGBT模块外观图像信息获取单元可以配合固定位置摄像头技术,精准地定位模块在空间中的位置。IGBT模块动态特性优化单元可以判断模块动态特性是否合格,为模块的电流过充?IC、开通延时td（on）等开通过程中的驱动效果,与电压过冲?VCE、关断延时td（off）等关断过程中的驱动效果提供相应的优化方案。其中极端优化方案可以针对某一项驱动效果进行最大程度优化,开通过程平均优化幅度为76.27%,关断过程平均优化幅度为36.36%,缺点是优化项以外的驱动效果会受到一定影响;均衡优化方案可以综合计算动态特性参数,实现驱动效果整体优化幅度最大,开通过程平均优化幅度为4.84%,关断过程平均优化幅度为13.19%,供测试工程师使用。 本文工作内容为IGBT模块动态特性智能测试系统的研究提供了一种方案,为IGBT模块动态特性智能测试系统在实际应用中的应用提供了一条有效路径。

关键词： 椭圆方程最优控制问题   混合虚拟元法   先验误差估计  

摘要： 偏微分方程约束最优控制问题在材料设计,资料同化和反问题计算等领域有着广泛的应用,关于其数值方法的研究是科学计算领域前沿问题之一.本文着重研究了目标泛函中包含状态变量通量的椭圆方程约束最优控制问题,构造了混合虚拟元离散格式,建立先验误差估计.首先,考虑如下点态控制约束的常系数椭圆方程最优控制问题:(?)J(p,y,u):=1/2‖p(x)-pd(x)‖2+1/2‖y(x)-yd(x)‖2+γ/2‖u(x)‖2 s.t.其控制约束集为Uad={u(x)∈L2(Ω):a≤u(x)≤b,a,b∈R,a≤b},其中Ω(?)R2是具有Lipschitz边界Γ的有界凸多边形区域,Γ=Γ1∪Γ2,Γ1和Γ2是Γ的开子集,且|Γ1|,|Γ2| ≠0.J(p,y,u)是目标泛函,γ>0是正则化参数.p(x)和y(x)分别表示速度场和压力场,f(x)∈L2(Ω)代表源项,K代表介质的渗透率,是一个常数矩阵.理想状态pd(x)和yd(x)分别属于空间L2(Ω):=(L2(Ω))2和 L2(Ω).针对上述问题,通过对状态方程采用混合虚拟元离散,对控制变量采用变分离散,构造了混合虚拟元离散格式.基于先离散后最优的方法,推导出离散一阶最优系统.通过引入辅助问题,建立了状态变量,伴随状态变量和控制变量的先验误差估计,数值实验验证了理论结果.其次,研究了如下点态控制约束的变系数椭圆方程最优控制问题:(?)J(p,y,u):=1/2‖p(x)-pd(x)‖2+1/2‖y(x)-yd(x)‖2+γ/2‖u(x)‖2 s.t.其控制约束集为Uad={u{x)∈L2(Ω):a ≤u(x)≤b,a,b ∈R,a≤b},其中Ω(?)R2是具有Lipschitz边界Γ的有界凸多边形区域,J(p,y,u)是目标泛函,γ>0是正则化参数.κ(x)和μ(x)是Ω→R的光滑函数,对于任意的x∈Ω有 κ(x)≥κ0>0 且μ(x)>0.对于上述问题,通过对状态方程使用混合虚拟元离散,对控制变量使用变分离散,建立了混合虚拟元离散格式.基于先离散后最优的策略,推导了离散一阶最优系统,运用对偶论证技术建立了状态变量,伴随状态变量和控制变量的先验误差估计,并通过数值例子验证了理论结果.

关键词： 变频器   水泵   节能  

摘要： 为实现扬水泵站节能应用的建设目标，对泵站电气控制系统进行全面的改造。本次改造主要在10kV高压电动机系统增加变频器及配套旁路切换系统，实现根据前池来水流速的大小进行系统扬水泵自动变频调节功能，保证泵站扬水系统稳定运行，同时实现整个系统的节能降耗。基于此，本文主要探讨水泵的高压变频控制过程中实现的节能应用。