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关键词： 电子机械制动   夹紧力估计   夹紧力控制   模型预测控制   扭矩矢量控制  

摘要： 随着汽车智能化电子化的发展,线控制动系统逐渐取代传统制动,成为主流发展方向。其中电子机械制动系统Electro Mechanical Brake(EMB)摒弃传统制动中的液压回路,完全依赖电子元件,集成性高,制动效率高,将成为未来无人驾驶汽车的线控制动的选择。但由于目前EMB制造技术的局限性,难以设置备份系统,导致纯EMB制动系统安全性低,无法装载到车辆上并量产。为了应对此缺陷并使用部分EMB,本文提出复合制动结构,使用前轮电子液压制动Electro-Hydraulic Brake(EHB)后轮EMB系统复合制动结构。其中EHB系统的备份系统作为整个系统的备份。后轮使用EMB,利用其快速性以及准确性,制动同时可用于提高车辆转弯性能等方面。 首先进行复合型线控制动系统的开发与实验台架搭建。为了研究复合制动系统,分别对前轮EHB后轮EMB进行运动分析,数学建模,并且搭建仿真模型。为了模型的精准性,搭建试验台架并进行测试,校准仿真模型。并对于实测数据进行分析,为后续根据电机位置估计EMB夹紧力奠定实验基础。 研究复合型制动执行机构控制器的设计,由于EMB系统难以安装力传感器,因此需要对EMB夹紧力进行估计。根据台架实测发现通过电机位置-夹紧力之间的关系能够较好地进行夹紧力估计。因此根据选择实测数据拟合电机位置-夹紧力关系,用于夹紧力估计。为了提高估计的精确性,提出预夹紧步骤,并设计使得电机回退到固定位置区间,得到初始间隙。在后续的制动过程中,通过设计卡尔曼参数估计方法制定优化更新规则,优化间隙,提高夹紧力估计精度。在夹紧力估计的前提下,为了实现对于复合系统的精确快速控制,设计EMB夹紧力控制器。为了控制的快速性,使用注入型前馈迭代控制作为前馈控制器;另外,使用PID反馈提高控制精确性,同时满足强制动时控制要求。由于无力传感器,因此使用EMB估计器作为实时夹紧力反馈。为了验证估计方法的准确性以及EMB控制方法的精确性,进行台架实测控制,结果表明此估计方法的估计结果较为准确,控制精度较高,效果良好。 研究复合系统在驾驶员给定制动目标的制动工况下的力矩分配,改善车辆制动性能。由于后轮使用EMB制动,快速性好,可调范围广,精确度高,因此在直行情况下能够按照理想分配曲线进行前后轴制动力分配,改善制动效果,减少车轮抱死情况,同时减少制动距离,提高制动时车辆安全性。在弯道制动情况下,通过后轮力矩分配可以使车辆在满足制动需求的情况下,同时满足驾驶员的转弯要求,使得车辆稳定转向,减小与期望横摆率以及侧偏角误差,改善侧向性能,同时减小制动距离,提高车辆制动时安全性。基于上述力矩分配方法进行Car Sim联合仿真实验,结果表明此力矩分配方法能够改善制动性能,减缓车轮抱死,减小制动距离同时满足驾驶员需求。 在EMB的精确控制情况下,复合制动结构比纯EHB制动结构后轮控制的快速性以及精确性更高,因此可以在无驾驶员操控的情况下,自主控制左右后轮的制动力实现在复合制动特殊结构基础上,面向操纵稳定性的扭矩矢量控制。首先建立车辆模型以及轮胎模型,对操作稳定性稳态进行分析,设计Model Predictive Control(MPC)力矩矢量控制器,通过改变左右后轮夹紧力使车辆状态达到稳定,进行仿真验证,可验证在转弯工况下,该方法能够改善车辆侧向性能,提高车辆稳定性。最后搭建半实物实测台架,对面向操作稳定性扭矩矢量控制算法以及制动力矩分配算法进行实物验证,证明控制算法的有效性及正确性。

关键词： 飞轮储能系统   矢量控制   光伏   分布式协同控制   SoC平衡   鲁棒性  

摘要： 随着可再生能源的迅猛发展,光伏和风力发电系统大规模并网,对电网稳定运行带来了严峻挑战。飞轮储能以其高储能密度和快速响应等诸多优点,对于提高供电的可靠性与电能质量有关键作用。本文以飞轮储能系统为对象,对飞轮储能单元、光伏-飞轮储能系统及飞轮储能阵列系统进行能量管理控制策略研究,主要工作内容如下:(1)设计了飞轮储能装置机械结构,并建立飞轮储能单元永磁同步电机模型。采用解耦控制、矢量控制和空间矢量脉宽调制方法对飞轮储能单元进行充放电控制设计。利用Matlab/Simulink搭建飞轮储能单元仿真平台,验证了控制策略的可行性。(2)建立了光伏电池数学模型,利用最大功率点跟踪技术设计光伏电池控制器。并结合飞轮储能单元控制模型,构建了光伏-飞轮储能系统模型。通过仿真平台,验证了控制策略的可行性,并确保光伏电池输出波动时,通过飞轮储能单元的充放电控制,能够保证负载的稳定运行。(3)针对飞轮储能阵列系统,通过定义飞轮单元的荷电状态(SoC)和能量状态,建立飞轮储能阵列充放电模型。基于平均能量状态估计器和平均期望功率估计器设计了分布式协同控制器,实现飞轮阵列各单元共同提供所需的总功率,并动态平衡各单元充放电状态。利用Matlab/Simulink搭建飞轮储能阵列系统仿真平台,验证了分布式协同控制算法的可行性。(4)通过广泛的模拟研究,分析了SoC平衡策略、网络连通性、有信息的智能体个数对控制器性能的影响,仿真结果表明SoC平衡策略确保各单元充放电速率一致性,通信网络拓扑对平均能量状态估计器和平均期望功率估计器收敛速度的影响与其特征值有关。最后分析分布式协同控制器对通信网络连接中断的鲁棒性,验证了分布式协同控制器具有较强的抵抗能力。本文针对面向微电网的飞轮储能系统进行能量管理控制策略研究,为提高微电网可靠性和电能质量提供了新思路。

关键词： 永磁同步电机   周期性扰动补偿器   精细抗扰控制器   双向控制  

摘要： 永磁同步电动机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)具有结构简单、功率因数高、能量利用率高、动态响应快、低速性能好等优点,广泛应用于高精度数控机床、机器人、电动汽车和光电装备等领域。然而,PMSM还是具有多变量、强耦合、非线性和可变参数的复杂被控对象,其控制不可避免地受到齿槽转矩、磁通谐波、轴系摩擦、参数不确定性和传感器测量误差等影响。这些不利因素对于小惯量、小负载的PMSM控制的影响尤其严重且在低速运行时更加明显。提高PMSM控制系统的抗扰动能力尤为重要。本文以小惯量、小负载的PMSM为研究对象,针对其多源扰动抑制控制问题展开研究。主要研究工作内容如下:1.对PMSM的扰动来源进行分析,根据扰动特性将复杂扰动分为周期性扰动和非周期性扰动两大类。其中,周期性扰动主要为转矩脉动,一般包括纹波转矩和齿槽转矩两部分。纹波转矩由感应电动势或电流波形发生畸变造成,齿槽转矩由电机自身结构引起。非周期性扰动主要包括外部突加负载、环境外力等。虽难以得到各类扰动的准确的数学模型,通过是否表现出周期特性而分类可为精细抗扰控制的设计提供参考。2.设计基于BP(Back Propagation)神经网络的周期性扰动补偿器,对周期性扰动进行实时补偿。首先设计速度环迭代学习控制器(Iterative Learning Controller,ILC)并对其进行收敛性分析,得到最优控制量。利用最优控制量和对应的位置响应值作为数据集训练BP神经网络,以拟合PMSM的周期性扰动和位置信号之间的关系。采用的ILC旨在获得最佳训练数据集,而非最终的控制器。本文提出的离线BP神经网络周期性扰动补偿器避免了直接采用ILC进行控制时存在的迭代时间长、数据存储量少、抗非周期性扰动能力弱的缺点,实现了对周期性扰动实时、快速且准确的补偿,将周期性扰动的影响从系统中去除。通过对比实验验证了补偿器的有效性。3.进一步设计精细抗扰控制器(Refined Anti-Disturbance Controller,RADC),实现对周期性扰动和非周期性扰动的分层主动精细补偿。首先设计了一个自适应滑模辅助干扰观测器(Adaptive Sliding Mode Assistant Disturbance Observer,ASMADO)对非周期性扰动进行观测和补偿。其中的自适应滑模控制器(Adaptive Sliding Mode Controller,ASMC)用于辅助干扰观测器(Disturbance Observer,DOB)估计和补偿具有快速变化特性的扰动,弥补DOB只能观测低频扰动的不足。该方法消除了PMSM的预期动态和实际动态之间的差异。此外,设计了分段式自适应开关增益。当系统的状态偏离预设边界时,立即给出大且固定的开关增益。如果系统的状态在边界内,则开关增益由自适应律确定,并逐渐衰减到零,从而减小系统抖振。将ASMADO与周期性扰动补偿器相结合设计新的RADC控制器,实现了两类具有不同特性扰动的同步补偿,并对其进行收敛性分析。控制内环通过使用RADC控制器,使被控PMSM近似于一个理想系统,降低了外环控制器的负担,使用简单的外环控制器便可以实现理想的低速伺服性能。通过对比实验验证了RADC控制器的优越性。4.将RADC控制器应用于四通道力/位混合双向控制中。RADC中的周期性扰动补偿器可补偿掉PMSM控制系统中大部分的自身扰动,使得双向控制系统中主、从执行器受到来自操作者或环境的外力可以更准确地被ASMADO测量出。ASMADO作为力测量工具能够测量具有快速变化性质的外力。新方法改善了主、从执行器间的位置跟踪性能并且在一定程度上提高了系统的透明度。实验对比了基于DOB和RADC控制器的四通道双向控制结构,验证了所提出方法的优越性。本文通过设计RADC控制器实现对不同扰动的分层补偿,提高了系统的抗扰动能力以及速度和位置的控制性能,并且将其应用到了力反馈双向控制领域,为小惯量、小负载PMSM更广泛的工程实践奠定了基础。

关键词： VSG   矢量控制   三相逆变器   不平衡   广义二阶积分   电压前馈  

摘要： 最近几年我国不断推行“碳达峰、碳中和”的概念,意在解决资源环境约束的突出问题,这是我国实现可持续发展的重要一步,因此可再生新能源被大量应用到生产生活各个领域中,尤其是新能源组成的微网系统,该系统多采用分布式结构,大大提高了发电的灵活性。然而由于微网其本身特性会导致其出现两个问题:一是传统电网多由同步发电机组成,而新能源设备多为电力电子器件构成的逆变器设备,其本身缺乏阻尼惯性;二是由于微网线路阻抗三相不对称性以及用户端单相负载的随机性,使得微网系统中不平衡现象十分明显,尤其是在孤岛情况下该问题尤其严重。因此研究不平衡工况下微网控制策略尤其重要,本文主要内容如下:首先,针对问题一,传统逆变器在微网孤岛运行时,多采用PQ、VF等控制策略。然而这些控制策略无法使逆变器具有阻尼惯性,因此本文选用虚拟同步机技术(VSG)作为逆变器的主要控制策略,通过对同步发电机的建模以及分析,可以将VSG的控制结构分为频率有功控制器,机械运动控制器,励磁控制器以及电压电流双闭环控制器这四个部分。传统上电压电流双闭环控制策略一般可以分为QPR和PI控制。这两种方法各有优缺点,QPR控制优点在于不需要进行解耦可以直接无差控制交流信号,缺点在于低频增益小,动态响应差,Kp,Kr参数整定困难。PI控制缺点只能对直流信号进行无差控制,因此需要对控制器进行解耦,优点在于动态响应好,参数整定简单。因此本文采用PI控制,针对PI参数整定的问题,这里利用串联校正的思想,通过计算获取PI参数。同时可以通过设定截止频率和中频带宽的方法调节系统动态响应以及谐波含量。其次,针对问题二,首先对离网(孤岛)不平衡负载引起输出电压不平衡的问题进行了分析。引起微网不平衡的主要原因是因为逆变器输出电压中不仅含有正序分量,还含有负序以及零序分量。由于本文讨论的为三相三线制系统,不含有零序分量,因此第三章节重点在于如何正确提取输出电压中正序和负序分量。就提取方法而言,本文采用基于双广义二阶积分正负序分离方法,同时与基于静止坐标系下的90°正负序分离方法进行了优缺点的对比。然后,为了应对不平衡工况下输出电压不平衡的问题。本文提出了一种基于不平衡工况下的VSG控制策略。针对不平衡工况引起的有功和无功功率分量中含有的二倍频分量问题,本文设计了一种基于改进型陷波器方案,不仅可以抑制二倍频分量,同时可以抑制高次谐波。针对环路动态响应不足的问题,本文参考电流源VSG电压前馈策略,提出了一种基于电压源VSG电压前馈策略。最后,利用MATLAB/Simulink软件进行了仿真建模验证。仿真结果表明基于VSG的不平衡控制策略,可以明显减小输出电压不平衡度,满足输出电压的要求。同时增加电压前馈控制,不仅可以增加系统的动态响应,同时可以改善输出电压及电流谐波含量。

关键词： 绝缘栅双极晶体管   模块封装可靠性   主动热管理   有限元分析   电热耦合分析  

摘要： 在高速列车牵引传动系统中,能量高效变换是高速列车稳定运行的重要保证。作为能量变换的核心部件,绝缘栅双极型晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)的可靠运行至关重要。然而,在牵引变流器复杂运行环境和多变运行工况作用下,IGBT长期处于交变的结温波动条件下,易出现疲劳失效,进而造成牵引变流器故障,为高速列车的安全可靠运行带来严峻挑战。为避免IGBT因结温波动出现失效进而导致灾难性事故的发生,开展IGBT电热特性研究并实施有效的热管理具有重要意义。为此,本文以IGBT功率模块为研究对象,对IGBT的电热特性开展深入研究,在此基础上,研究用于牵引变流器的主动热管理策略,有效平抑IGBT结温波动,保障高速列车牵引传动系统的长期安全可靠运行。具体研究工作为: 首先,介绍了牵引变流器的工作原理与数学模型,对其中IGBT的工作特性与损耗产生机理进行了探究。同时对IGBT功率模块结构与传热特性进行分析,对模块进行电-热-力耦合的有限元分析方法进行探索。 其次,基于某车型列车的实际运行数据,建立了牵引变流器电热仿真模型,提取IGBT的结温,并设计了一种基于开关频率调节的主动热管理策略,在IGBT器件结温超过阈值时,在保证直流侧输出能力的情况下,对开关频率进行调节,降低损耗。同时对控制前后的结温波动进行对比,使用雨流计数法进行温度循环次数的统计,再结合寿命模型,计算IGBT损伤。并搭建了单相PWM整流器小功率实验平台,对提出的热管理策略进行了实验验证。 最后,设计了一种新型具有均热结构的IGBT功率模块优化结温表现。首先,利用所建立的电热模型,计算得到IGBT的功率损耗,并将其注入到电-热-力耦合的有限元模型当中;然后,建立了该结构与传统铜基板的有限元模型,对比探究其传热特性。得益于均热结构中工质的相变过程,基板的横向导热系数大大提高,优化了模块温度的均匀分布。同时对模块封装的键合线与焊料层热应力大小与分布进行了探究,研究此结构对于IGBT模块老化的优化效果,并在牵引变流器运行工况下进行了验证。之后搭建实验平台,开展温度测试实验,对所提IGBT模块结构的有效性进行了验证。

关键词： 谣言传播   用户行为偏好   媒体平台   最优控制  

摘要： 近年来,信息技术的迅猛发展加速了媒体平台的发展,使得人们在获取和传播信息时有了更多的渠道选择。与此同时,媒体平台的发展也是一把“双刃剑”,其优势在于多样化的信息渠道和丰富的内容选择,为人们提供了与他人分享观点、交流思想和参与讨论的空间;另一方面也加大了谣言大范围传播的风险。谣言信息可以通过各类媒体平台在短时间内迅速传播和扩散,造成社会的混乱和不稳定。因此,探究媒体平台影响下谣言传播机制,以及设计出科学合理的控制策略,从而有效地抑制谣言传播,已经成为网络空间治理领域亟待解决的科学问题。为此,本文针对跨媒体平台环境下的谣言控制问题,开展了如下研究工作:首先,根据大众传播学中经典的使用与满足理论,对媒体平台进行属性划分,并引入了用户行为偏好理念。媒体平台属性划分指将在线社交网络中各类媒体平台按照其公开性程度分为两大类,即公开媒体平台和私密媒体平台。用户行为偏好是指在传播信息时根据自身需求会对媒体平台做出的具有倾向性的选择组合。因此,本文根据两类媒体平台层的划分以及用户行为偏好,将人群划分成三类,即偏好于在两类媒体平台中均传播、偏好只在公开媒体平台传播和偏好只在私密媒体平台传播。基于此,本文考虑媒体平台和用户行为偏好因素的影响,对经典SIR谣言传播模型进行改进,利用平均场方程构建了跨媒体平台的谣言传播模型,即 X-Y-Decontamination-Susceptible-Iinfected-Friend-Media-Reticent谣言传播模型,以此描述跨媒体平台环境下的谣言传播过程,并揭示了公开媒体平台与私密媒体平台中谣言传播者之间的相互影响关系。其次,基于构建的XYD-SIFMR谣言传播模型,本文进一步提出了谣言控制策略,即针对公开媒体层、私密友谊层以及层间联系,提出净化、治疗以及阻断三种协同控制策略,并将三种控制强度作为参数引入XYD-SIFMR谣言传播模型中,并进行稳定性分析。进一步地,推导出衡量谣言是否传播的基本再生数R0的表达式,并使用Hurwitz判据证明了 XYD-SIFMR谣言传播模型在无谣言传播平衡点和谣言存在平衡点的稳定性。本文利用现代自动控制领域中的最优控制理论,将考虑媒体平台和用户行为偏好影响下的谣言传播控制问题转化成为一个可求解的最优控制问题。由于谣言传播会造成一定损失,控制措施的施加会产生控制成本且控制强度大小会直接影响抑制谣言传播效果,因此需要权衡实现控制策略的资源消耗与谣言传播损失间的关系。因此在最优控制问题建模中,以最小化谣言传播的损失和实施控制措施的控制成本的总成本作目标函数,三种控制参数设为控制变量,XYD-SIFMR谣言传播模型作为控制系统求解的状态空间。接下来,本文证明了系统最优控制解的存在性,并使用庞特里亚金最小值原理对控制系统进行求解,推导出三种协同控制变量的解析解以及必要条件。最后,本文通过数值模拟验证了模型理论分析结果的正确性以及所提三种协同控制策略的有效性,并进一步分析了媒体平台与谣言传播用户之间的相互作用过程。数值模拟结果表明,本文所构建的XYD-SIFMR谣言传播模型,能够较好地描述现实跨媒体平台环境下的谣言信息传播规律。模拟结果也表明,针对媒体层提出的净化、治疗、阻断三种协同动态控制策略,其谣言抑制效果明显优于静态控制、单一动态控制等控制策略,而且整体花费的总成本最小,从而验证了本文所提出三种协同控制策略的有效性,同时对参数灵敏度分析得到私密友谊层的谣言传播影响着公开性媒体平台中谣言传播的规模,媒体平台的谣言信息反过来影响私密友谊层用户的演化状态。最后,本文通过对实际案例的分析,验证了所构建模型的有效性。本文构建了跨媒体环境下考虑用户行为偏好的谣言传播模型,从而有效地揭示了现实复杂网络情境下的谣言传播规律;在此基础上,提出了三种谣言控制策略,从而为媒体平台和舆情治理相关机构,制定有效地谣言治理策略提供一定理论和方法支撑。

关键词： 切换系统   时间尺度变换   分布鲁棒控制   控制参数化   竞争粒子群算法  

摘要： 随着人工智能的高速发展,数学与计算机科学之间的联系更加紧密.在实际生活和人工智能系统中,存在着许多连续和离散动力学相互作用的现象.混杂系统作为描述该过程的重要数学模型,吸引了越来越多研究者的兴趣,成为当今研究的热点之一.另一方面,不确定性是利用数学建模对过程进行模拟、预测和控制不可避免的问题.本文考虑了确定性切换系统数值最优控制以及多参数不确定切换系统的分布鲁棒最优控制,具体研究内容如下: 首先,考虑了一类微生物批式流加发酵生产1,3-丙二醇(1,3-PD)的过程优化问题.该生物过程本质上可刻画为一个同时具有自治切换和受控切换的混杂切换系统.通过时间尺度变换,将受控切换时刻映射到固定时刻,得到一系列具有自治切换的子系统;然后,以甘油流加时长和发酵终端时刻为控制变量,以终端时刻1,3-PD生产强度最大化为目标函数,建立最优控制模型,利用约束转换技术处理连续状态不等式约束;最后,构造一个竞争粒子群算法求解所提出的最优控制问题,并比较了不同控制子周期长度下的最优控制结果. 其次,考虑了不确定参数的分布是未知,但一阶矩和二阶矩已知的切换系统的分布鲁棒最优控制问题.该问题本质上是一个极小极大最优控制问题.利用离散化方法将原问题近似为有限维的参量最优控制问题,并将内层问题和外层问题分别求解.内层优化是求解最差期望性能的分布,利用非线性规划方法进行求解.外层问题为具有动力系统约束的非线性最优控制问题,通过构造竞争粒子群算法进行求解.并以一类微生物批式流加发酵分布鲁棒最优控制问题作为实例验证了算法的有效性. 本文的研究既丰富了切换系统最优控制理论和数值算法,又可为微生物发酵过程的优化控制提供理论参考.

关键词： IGBT   耐高温   缓冲层   电学性能  

摘要： 随着绝缘栅双极型晶体管（IGBT）在电动汽车、超高速轨道交通等更多新兴战略领域的拓展应用,IGBT面临着更严苛环境、更恶劣工况的考验,这对IGBT的性能指标提出了更高的要求,尤其受关注的是IGBT的耐高温能力。高温下急剧增长的集电极泄漏电流会导致额外的功率损耗以及热失控现象的发生,是IGBT耐高温性能提升过程中需要解决的一个关键难题。实现低泄漏电流IGBT的主要途径是阳极结构的优化,特别是缓冲层的优化。但传统IGBT缓冲层极大程度上制约着其动静态性能,因此迫切需要对缓冲层结构进行新的优化设计,改善泄漏电流与其他电学性能之间的矛盾关系。为此,本文深入探究了IGBT泄漏电流的产生机理,从理论上分析了缓冲层部分各物理参数对泄漏电流的影响,并在此基础上对缓冲层部分进行优化设计,提出了两种不同的双阶缓冲层结构,在基本不对器件其它电学性能造成负面影响的前提下,降低IGBT在高温情况下的泄漏电流,提升其耐高温性能。具体如下: 1、深入分析了高压阻断状态下IGBT泄漏电流的主要来源及产生机理,推导出泄漏电流产生的物理模型,从理论上证明了IGBT的泄漏电流随温度呈指数型增长。并且,总结得出减小IGBT背面PNP晶体管的增益(αPNP)是减小泄漏电流的一个有效措施,进一步探究了包括缓冲层部分的各物理参量对αPNP大小的影响,为IGBT缓冲层的优化设计提供理论基础。 2、提出了一种图形化的双阶缓冲层结构,其结构特点为在传统的一阶缓冲层顶部具有均匀间隔的、不连续的图形化二阶缓冲层。在正向高压阻断状态下,采用图形化双阶缓冲层的PFS-IGBT（IGBT with Patterned Field-Stop Layer）结构具有更低的背面PNP晶体管基区未耗尽区域宽度,从而可以得到更低的PNP晶体管增益αPNP,降低IGBT在高温情况下的泄漏电流。仿真结果显示,PFS-IGBT结构在200℃下的泄漏电流较传统结构减小56%。并且,二阶缓冲层的断续结构使得在关断损耗(Eoff)减小的同时正向导通压降(Von)仅有微量增加,不管是在室温还是高温情况下,都有效改善了Eoff-Von折衷关系。此外,更低的αPNP还使得器件具有更强的抗闩锁能力。 3、提出了一种具有深能级杂质掺杂的双阶缓冲层结构,其结构特点为二阶缓冲层采用的是深能级施主杂质掺杂,其实际电离浓度随温度上升而增加,且由于深能级杂质在室温下的电离率过低,一阶缓冲层采用浅能级杂质掺杂,以此来避免常温下的泄漏电流过高。在正向高压阻断状态下,对于具有深能级杂质掺杂双阶缓冲层的DB-IGBT（IGBT with Double Buffer Layers）结构,其二阶缓冲层可以降低器件背面PNP晶体管的增益αPNP及其温度依赖性,从而降低IGBT的泄漏电流及其温度依赖性。仿真结果显示,DB-IGBT结构在200℃下的泄漏电流和归一化泄漏电流分别较常规结构减小71%和32%。并且,相较于常规结构,DB-IGBT结构还具有改善的Eoff-Von折衷关系以及更强的短路耐受能力。

关键词： 双面光伏建模   非接触式电能传输系统   MPPT控制   光伏储能   移相控制  

摘要： 双面光伏组件因具备光电转换率高、环境适应能力强、制作成本逐年降低等优势,受到了光伏产业的青睐。随着新能源电动汽车产业蓬勃发展,在很多的应用场景下,需要分布式光伏组件通过非接触式电能传输系统实现电动汽车的安全、高效充电。本文围绕上述需求展开研究,具体工作内容如下:首先,利用MATLAB/Simulink搭建了双面光伏组件模型,对影响双面光伏接收辐照度的七个参变量进行仿真分析,研究了各参数对组件正反两面接收辐照度的影响。仿真验证了双面光伏系统在不同光照强度和温度环境下的输出特性。其次,搭建了光伏非接触式电能传输系统的数学模型,利用Ansys对谐振线圈进行有、无屏蔽的磁场三维建模,并对屏蔽磁场的损耗进行了仿真分析。将双面光伏发电系统和非接触式电能传输系统相结合,进行了储能电池充电实验测试,验证了该系统的有效性。再次,研究了一种与光伏非接触式电能传输系统相结合的储能系统及其控制策略。将系统的工作过程分为七种模式,可在光照波动时最大程度上利用光伏组件输出功率,确保负载的持续供电。通过仿真预设的五种实际工况证明了该策略的可行性。最后,完成了电路元器件选型,搭建了双面光伏发电系统非接触式电能传输实验平台,实验测试了不同工况下各模块的工作状态,验证了该实验平台的有效性。该论文有图86幅,表14个,参考文献89篇。

关键词： 硅IGBT   碳化硅MOSFET   级联H桥逆变器   开关功率损耗   混合调制   模型预测控制  

摘要： 近年来,随着能源形势的严峻和环境污染的加重,航空航天、海洋船舶、轨道交通、电能治理等复杂而特殊的应用领域对逆变器的性能提出了更加严格的要求。而目前传统的两电平逆变器在效率、电压等级、电能质量等方面存在局限;且单一 Si IGBT或SiC MOSFET功率器件存在的不足也限制了单一功率器件的产业应用。故本文结合SiC MOSFET的低开关损耗、高开关频率优势与Si IGBT的低成本优势,设计了基于Si IGBT与SiC MOSFET的级联H桥多电平逆变器(以下简称Si/SiC级联H桥逆变器)结构及控制策略,以在保证装置成本的前提下,利用多电平结构的冗余性,满足高效率、低功率损耗、低电流谐波畸变率的应用需求。本论文完成的主要工作为: (1)给出了多电平Si/SiC级联H桥逆变器的拓扑结构,分析其数学模型及影响逆变器效率的各部分功率损耗,提出一种基于变频三角载波-阶梯波混合调制的Si/SiC级联H桥逆变器控制策略。该策略中Si子模块采用阶梯波调制以基波频率开关,SiC子模块采用变频三角波调制以较高频率开关,与传统载波移相调制策略和固定频率的混合调制策略相比,在高载波频率下,变频混合调制策略在输出电流谐波畸变率、开关功率损耗和效率方面均具有一定的优势。 (2)变频混合调制策略具有实现简单、效率高的优势,但其Si与SiC子模块任务分配的不平衡使其在复杂应用条件下的推广遭到限制,因此其子模块分配策略还需优化。对此论文提出基于变权重模型预测算法的Si/SiC级联H桥逆变器控制策略,通过器件实时开关损耗对代价函数和子模块开关组合代价函数中约束量的权重进行改变。结果表明,采用变权重模型预测控制策略相比于固定权重模型预测控制策略在低输出电流谐波畸变率和高装置效率的实现方面更具优势。 (3)设计了单相五电平Si/SiC级联H桥逆变器实验平台,对相关控制策略进行了实验验证。给出了实验平台的硬件电路设计与软件算法流程,验证了本文中锁相环算法、载波移相调制算法、变频三角载波-阶梯波调制算法和变权重模型预测控制算法的可行性。实验对比了模型预测控制算法的装置损耗、输出电流谐波畸变率和装置效率。相比固定权重的模型预测控制策略,引入所设计的变权重策略能够使得装置损耗减少3%以上,输出电流谐波畸变率降低2%以上。