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关键词： 电力电子化电力系统   宽频信号   Prony方法   频率跟踪   宽频-泰勒模型   相量测量算法  

摘要： 大规模电力电子化设备的应用使得电力系统信号逐步呈现宽频特性,大量的谐波和间谐波对电能质量产生了非常严重的影响,直接危害电力系统安全、稳定运行。面对情况多变、宽频振荡现象突出和结构日趋复杂的电力电子化电力系统,仅依靠以跟踪基波相量为核心功能的广域测量系统己无法应对宽频振荡带来的一系列问题。为了提升电网的运行状态监控能力,亟需研究适用于宽频振荡下的宽频信号测量算法。准确、高效的测量宽频信号成分也是对谐波/间谐波治理的前提,也对维护电网的安全稳定运行具有十分重要的意义。基于此,本文以实现2.5～2500Hz频段内的基波、谐波和间谐波信号高精度测量为目的进行研究,利用重采样Prony算法获取的先验信息提出基于宽频-泰勒相量模型的宽频信号高精度估计算法,实现宽频信号中基波、谐波和间谐波的短时高分辨率信号测量。论文的主要研究成果如下:(1)从实际需求角度补充了谐波/间谐波相量模型及其频率计算方法,推导分析了傅里叶变换理论及其在非同步采样下存在频谱泄漏和栅栏效应问题的根本原因。采用加窗插值算法能够有效拟制频谱泄漏和栅栏效应,探讨了常用窗函数特性和窗函数选取原则,并推导了双谱线插值算法原理以及常用窗函数修正公式。通过加窗双峰插值算法能够提高宽频信号测量精度,但短时间窗下受到频率分辨率的限制,DFT类算法无法高精度测量频率相近的信号。(2)针对DFT类算法存在的信号感知时效性和频率分辨率问题,提出了一种基于重采样Prony的宽频信号短时感知方法。通过二阶差分序列定阶方法能够有效提升奇异值去噪性能并确定信号成分数,经过去噪后的信号采用重采样Prony方法能够有效获取高频、低频和近似频率信号成分,提高了Prony算法对低频间谐波信号和近似频率信号的短时感知性能,在短时窗下具备较好的频率分辨率。(3)利用宽频信号感知频率信息提出了一种基于宽频-泰勒模型的短时宽频信号测量算法。利用泰勒系数良好的动态特性建立宽频-泰勒相量模型,通过最小二乘法求解上述宽频-泰勒模型得到各信号相量,实现了宽频信号短时高分辨率测量,提高了相量测量算法在宽频振荡工况下基波、谐波和间谐波的测量精度和动态测量综合性能。仿真结果表明:所提SMAWT算法在基波动态变化工况下对基波、谐波和间谐波的测量具有较高精度。所提算法能在各静/动态工况下基波测量TVE值维持在1%以内,满足标准要求的3%;能将近似频率信号的谐波和间谐波、低频间谐波信号的测量TVE值维持在标准要求的5%以内;同时在各种静/动态工况下能将测量频率误差低于0.07Hz,具备较好的综合测量性能。

关键词： 电力电子   功率器件   铝丝键合   应力缓冲层   功率循环   寿命预测  

摘要： 在电力电子领域,由功率半导体芯片封装而成的功率器件/模组是实现电能转换与控制的关键部件。在功率器件中,芯片与金属丝连接的位置(键合点),热膨胀系数(Coefficient of Thermal Expansion,CTE)失配严重,在较高的工作温度下产生的热应力将严重威胁芯片与金属丝的稳固连接,导致功率器件失效。现有研究表明,在金属丝与芯片之间添加一层金属铜箔(应力缓冲层)可以显著提升键合点的可靠性。现有的应力缓冲层技术一般采用铜丝键合工艺及其配套设备,键合过程所需的输入能量一般为常用软铝丝键合的2～3倍。高键合能量导致芯片发生封装失效风险和生产成本更高,不利于其大规模推广与应用。针对目前铜箔结合铜丝键合技术存在的问题,本文提出了一种铝/铜双层复合箔的新型应力缓冲层。其中,复合箔中的薄铝层可以与低成本、低键合能量的软铝丝形成同质连接,大幅降低芯片、芯片连接材料和键合金属丝的热失配应力与应变,提高常用铝丝键合型功率器件封装可靠性;复合箔中的薄铜层又兼具了良好的导热、导电和可烧结连接特性。基于上述思路,本文首先基于有限元仿真方法,进行了铝/铜复合箔的结构与尺寸设计。研究发现,较之常规直接铝丝键合型功率器件,采用10 μm-Al/40μm-Cu复合箔的硅基二极管(Si FRD)器件和碳化硅二极管(SiC SBD)器件,铝丝中的最大剪切应变降低60%以上,芯片与缓冲层之间的烧结银连接材料的剪切应变是铝丝的6倍以上,使得铝丝键合点不再是功率器件封装热—机械疲劳失效的薄弱部位。铝/铜复合箔整体厚度为75 μm的封装结构,复合箔与芯片之间的烧结银连接材料承受的最大剪切应变与整体厚度为50 μm的封装结构相比,增大15.44%;复合箔整体厚度为50μm,铝层厚度由10 μm增加至20μm,烧结银连接材料承受的最大剪切应变降低1.47%,铝/铜复合箔的等效热导率下降15.19%。综合考虑铝/铜复合箔的加工性能、机械性能和散热性能,本文推荐采用10 μm-Al/40 μm-Cu复合箔。随后,采用10μm-Al/40μm-Cu的复合箔,本文封装研制了若干硅基二极管(SiFRD)器件和碳化硅二极管(SiC SBD)器件样品,并分别对其静态基本电气性能和快速功率循环老化可靠性进行了评估。快速功率循环老化实验表明,采用铝/铜复合箔的Si FRD和SiC SBD器件封装的热—机械循环老化寿命分别提升了 4.87倍和5.67倍,失效模式也不再是常见的铝丝键合点,而是烧结银连接材料的疲劳失效。基于老化实验失效寿命结果,结合多层薄板热应力理论和经典封装寿命预测模型,发展了适用于采用应力缓冲层技术的器件封装寿命预测模型并确定了相关模型参数。Si FRD器件的快速功率循环老化失效寿命与预测模型值吻合良好,验证了该模型的适用性。该模型可指导增强铝丝键合型功率器件封装的热—机械可靠性的应力缓冲层设计。

摘要： 本刊拟将2022年第10期辟为“海上风力发电中的电力电子技术”专辑,欲投稿的作者请在2022年7月31日前将论文发送到本刊编辑部（Email:dldzjstg@***）,并注明“海上风力发电中的电力电子技术专辑”字样。所投论文将按本刊常规审稿程序请国内外同行专家评审,评审结果将于2022年8月31日前通知作者。本刊邀请合肥工业大学张兴教授和华北电力大学袁敞副教授作为本专辑的特邀主编,对本领域的研究及专辑的论文进行分析和点评。

关键词： 功率开关应用   AlN/p-GaN栅   击穿机理   双向阻断器件   单粒子效应  

摘要： GaN材料具有高禁带宽度、高电子迁移率、高热导率、较好的化学稳定性等优势,因此GaN基HEMT电力电子器件在功率开关应用中具备高耐压、低损耗、高开关速度、高温特性好、抗辐照效应好等特点,但是目前面向功率开关应用的GaN器件并未完全发挥出其特性优势,主要体现在:1)p-GaN结构的GaN器件已经逐步商业化,但是仍然存在阈值电压和栅摆幅较低的问题,导致栅驱动设计的复杂性且器件难以应用于栅驱动信号噪声大的环境中,限制了 GaN基HEMT器件在功率开关中的广泛应用;2)目前GaN材料体系的击穿特性已得到充分挖掘,但是基于GaN器件的功率开关应用主要集中在100/300/650 V的中低压级别,在高压级别的功率开关领域应用较少;3)应用于双向功率开关领域的GaN器件的报道较少,且器件的反向阻断电压不超过-1000 V,远未发挥出GaN材料的耐高压优势;4)p-GaN结构的GaN器件已经广泛应用于民用市场,但是单粒子效应仍然是制约GaN器件在太空环境中应用的关键问题,此外GaN器件的一些高温特性问题还没有得到深入研究。针对上述4个问题,本文对面向功率开关应用的新型GaN基HEMT电力电子器件展开深入研究。创新性地提出一种新型的AlN/p-GaN复合栅结构提高GaN器件的阈值电压和栅耐压,并且深入研究了该器件的栅可靠性和阈值电压稳定性。在p-GaN上方原位生长10nm厚的单晶AlN介质层,AlN介质层的作用有如下三个方面:1)AlN材料可以有效地抬高能带,提高器件的阈值电压;2)AlN介质层可以起到一定的分压作用,使得GaN器件的阈值电压正向漂移,且有利于提高器件的栅耐压;3)原位生长的AlN可以有效地抑制陷阱态的引入,不会对器件的栅可靠性造成较大影响。综上所述,通过引入原位生长的AlN介质层,使得器件的阈值电压从1.8 V正向漂移到3.9 V,正向栅击穿电压从10.0 V提高到17.6 V。利用TDDB测试计算了器件的最大合格栅压,以工作时间10年失效率为63%为判定依据,器件的最大合格栅压从6.1 V提高到了12.1 V。通过漏压应力、栅压应力、开态应力实验对器件的阈值电压稳定性进行研究,定性分析了 AlN介质层的引入对器件阈值电压的影响。本文引入AlGaN材料做为沟道层和缓冲层来改善器件的击穿特性并深入分析不同衬底GaN器件的击穿机理。通过对AlGaN外延材料的缓冲层结构进行优化在Si衬底上获得了电子迁移率为1119 cm2V-1s-1,方阻为777 Ω/□的AlGaN材料外延片。蓝宝石衬底的GaN器件不受纵向击穿的影响,本文在蓝宝石衬底上制备出了击穿电压超过3000V的AlGaN沟道HEMT器件。随后在Si衬底上引入AlGaN材料做为缓冲层和沟道层,改善了器件的纵向击穿和横向击穿特性,获得了击穿电压达到2000 V的AlGaN沟道器件。这两个器件均是目前已报道的同类器件中击穿电压最高的AlGaN沟道器件。本文还提出了一种复合沟道结构的HEMT器件,该器件仿真获得了高于4000 V的击穿电压,并且使用仿真软件分析了器件内各层的电场分布情况以及器件击穿电压提升的机理。目前GaN材料体系的击穿已经被深度挖掘,AlGaN材料的引入有利于推动GaN基HEMT电力电子器件在高压功率开关领域的应用。针对AC-AC双向开关应用,本文提出了三种高性能的GaN双向阻断器件。在器件制备中通过集成肖特基漏结构、蓝宝石衬底、AlGaN沟道技术,本文获得了反向击穿电压超过-3000 V的双向阻断器件。采用Si衬底、无金工艺、AlGaN缓冲层和沟道层、肖特基漏等技术在降低器件成本的同时获得了反向击穿电压达到-2000 V的RBHEMT器件。最后本文基于AlN/p-GaN栅结构,通过采用AlxGa1-xN/超晶格/AlxGa1-xN复合缓冲层结构、低功函数金属的肖特基漏等技术,在Si衬底上制备出阈值电压为3.9 V,开启电压为0.61 V,正向栅击穿为17.6 V,正反向击穿电压为2520/-2480 V,正反功率品质因数为512/496 MW/cm2的增强型双向阻断器件,该器件是目前已报道的RBHEMT器件中功率品质因数最高的器件。GaN基双向阻断器件的研究有利于促进GaN器件在双向功率开关领域的应用。深入研究了极端环境下GaN器件的退化机理。首先分析了基于Si衬底的AlGaN沟道器件的高温特性,对器件的迁移率随温度的变化进行了深入分析,并且在高温下提取了更详细的陷阱态信息,填补了 Si基AlGaN沟道HEMT器件高温特性的研究空白。随后分别在低压/高压工作模式下对GaN器件进行了重粒子辐照实验,深入分析了低压工作模式下单粒子效应所诱导的GaN器件的退化机制和高压工作时器件的失效机制,揭露了高能重粒子辐照引入的线性晶格损伤以及跟随产生的电子空穴对对器件特性的影响

关键词： 电力电子变压器（PET）   电磁暂态（EMT）   等效建模   实时仿真  

摘要： 电力电子变压器（power electronic transformer,PET）因兼具多端口电能汇集与功率综合调控等功能,已逐渐成为实现大规模交直流混联和新能源并网的关键设备。但是,由于高节点数与小仿真步长的特征,PET电磁暂态（electromagenetic transient,EMT）详细离线仿真模型效率极低,详细实时仿真模型对仿真资源消耗较大,无法满足科学研究与工程设计中快速精确仿真及物理控制器硬件在环测试需求。因此,构建PET电磁暂态离线加速及实时低耗仿真算法与模型,具有重要的理论及工程意义。针对上述问题,论文的主要研究工作如下:首先,针对双有源桥（dual active bridge,DAB）型PET,提出两种离线加速仿真算法。其一,基于高频链端口解耦的高速等效建模方法,通过节点导纳方程的直接预处理和模块端口电容电压的约等,将DAB型PET等效为两个单端口电路。其二,基于二端口网络参数方程的高精度等效建模方法,通过模块内部传输参数的累乘和各模块混合参数的累加,以及各类参数之间的相互转换,将DAB型PET等效为一个二端口电路。通过PSCAD/EMTDC中的仿真测试,所提两类等效模型均可实现对详细模型2-3个数量级的仿真提速,最大相对误差在5%以下。其次,针对其他典型PET拓扑进行了等效算法适用性推广。针对单有源桥（single active bridge,SAB）,提出基于电流过零点预计算方法,通过引入虚拟触发信号,完成不控整流桥的等效。针对级联H桥（cascaded H-bridge,CHB）型DAB,在DAB离线等效模型基础上,对H桥进行扩展递推,构建CHB-DAB型PET电磁暂态等效算法。针对多有源桥（multiple active bridge,MAB）,建立了多绕组变压器的等效模型,并给出了其PET系统建模难点和解决方案分析。最后,通过对所提离线等效算法的进一步并行优化,提出一种DAB型PET实时低耗等效建模算法。利用DAB等效电路导纳参数的二值特性,提出基于有限存储的低内存占用EMT解算方案,降低了对存储内存的需求;通过对等效流程的矩阵化梳理,构建了紧凑型低延时仿真框架,降低了对仿真时钟的需求;利用等效代码的高度并行性,设计了分组并行的流水线计算流程,降低了对硬件资源的需求。在RT-LAB中完成了基于Verilog语言的250ns实时低耗等效仿真模型开发,并进行了所建模型仿真精度和资源利用率测试。

关键词： 电力电子变换器   元器件特征参数   参数估计   数字孪生  

摘要： 现代电力电子变换器逐渐趋向高频、高效、高功率密度方向发展,这使得其安全性、可靠性问题日益严重。对电力电子变换器元器件的参数进行有效估计可以检测元器件的参数性故障,这是实现状态监测以及健康管理的关键。因此,研究参数估计方法对电力电子变换器的视情维修与智能维护有着重要意义。首先,本文分析了电力电子变换器关键元器件的简化电路模型和老化失效机理,确立了能有效表征各元器件老化状态的特征参数,为变换器数字模型建立奠定基础,也为参数估计的实现提供目标和方向。其次,以Buck变换器为例,研究了一种基于数字孪生的非侵入式参数估计方法。采用四阶Runge-Kutta方法建立了非理想Buck变换器的数字模型;搭建了基于自适应粒子群优化(APSO)的辅助算法环境,用于实现数字模型与实物系统的数据交互;给出了该参数估计方法的整体实现方案。在此基础上,研究了基于电压检测的Buck变换器参数估计方法。通过分析Buck变换器功率开关器件和续流二极管的端电压与电感电流的关系,将目标函数中的比对变量电感电流替换为端电压,实现了功率开关器件导通电阻与电感器内阻的解耦,使主开关器件导通电阻、电感器内阻、二极管等效开通电阻能被单独估计。通过仿真和Buck变换器实验平台验证了上述参数估计方法的有效性,分析了目标函数、不同工况、不同采样频率对参数估计精度的影响,且在模拟元器件老化的过程中能有效观察到各特征参数的退化趋势。

关键词： 电力电子变压器   模块化多电平变换器   控制策略   故障诊断  

摘要： 随着“双碳”战略的提出，新能源发电的波动性、随机性特点给传统电力系统带来了挑战，分布式能源并网对变压器的性能有更高的要求，电力电子变压器(Power Electronic Transformer，PET)凭借对复杂电力系统的可控性和兼容性得到了发展。目前，PET广泛采用三级式结构，模块化多电平变换器(Modular Multilevel Converter，MMC)凭借高传输效率和可扩展性等优点，使MMC-PET应用于中高压大功率系统成为了可能。本文围绕MMC-PET，对各级的工作原理、控制策略以及MMC中功率开关器件的故障诊断问题展开了研究，并通过仿真进行验证。主要工作如下:　　首先，对MMC-PET的结构进行了介绍，整流级采用MMC拓扑，隔离级将多个双有源桥(Dual Active Bridge，DAB)型DC/DC变换器的一次侧串联、二次侧并联，逆变级为三相四桥臂结构。对各级的工作原理进行了分析，并建立了各自的数学模型。比较了MMC不同调制策略的优缺点，最终采用了适用于本文MMC系统的载波移相调制策略。根据dq旋转坐标系下的数学模型，设计了MMC的电压电流双闭环控制器，并针对子模块电容电压失衡和MMC环流问题，提出了一种基于环流抑制的能量均衡分层控制策略，并在MATLAB/Simulink中搭建了仿真模型，验证了控制策略的有效性。　　其次，针对中间隔离级能量传输效率低的问题，采用了基于单移相控制的闭环控制策略，不仅简化了控制，负载发生突变时还可以保证二次侧输出电压的稳定;为提高MMC-PET带不平衡负载的能力，输出级的三相四桥臂逆变器，采用了三桥臂传统电压控制与第四桥臂独立控制相结合的控制方法。各级的控制策略都通过仿真模型单独进行了验证，在各级控制策略都有效工作的前提下，设计了10kV的MMC-PET拓扑结构，通过仿真对其整体运行进行了分析。　　最后，针对MMC子模块数目过多易出故障的问题，对子模块中IGBT的故障类型及其特征进行了分析，针对IGBT开路故障设计了一种以桥臂电流为观测值的滑模观测器，当观测出的桥臂电流值无法正常跟随实际值时，即可判定桥臂故障，利用预设的故障特征向量来定位故障子模块。通过MATLAB/Simulink搭建了MMC子模块的故障模型，验证了子模块中T1和T2发生故障时MMC的输出特性，通过滑模观测器快速准确地发现故障并定位子模块。

关键词： 电源系统   特征参数   可靠性   寿命预测  

摘要： 为掌握某型战机电源模块中MOSFET器件对机载产品运行可靠性的影响程度,针对目前军机维修中该类型器件失效导致的故障率居高不下的现实问题,本文搭建了MOSFET器件特征参数采集平台,并针对两款军用器件开展可靠性试验,并实时采集特征参数的过程数据,最后在此基础上提取导通电阻Rds (on)作为寿命预测数据,建立可靠的寿命预测ARIMA模型,实现对性能退化的MOSFET器件的准确定位,并及时维护或更换,保证机载产品能够在预测的寿命范围内完成预期功能,切实保障飞机电源系统的可靠性与安全性。

关键词： 宽禁带   AlGaN   电力电子器件   增强型   异质结  

摘要： 无线通讯基站和电能转换等领域对相关电子系统的核心元器件提出了更大功率、更高频率和更高效率的要求。与传统的Si基功率器件相比,宽禁带半导体GaN基功率器件可实现1k W以上的输出功率、1MHz以上的高速开关频率、更大的工作温度范围,且具有更强的抗辐照能力。三元化合物半导体AlGaN作为GaN的延伸材料,具有更宽的禁带和更高的击穿场强,预期将实现更好的电力电子器件特性。 基于上述背景本文针对AlGaN基电力电子器件展开研究。通过优化器件结构和制备工艺,获得了具备不同优异性能的AlGaN基器件。取得结果如下: 1.用Al0.2Ga0.8N/Al0.05Ga0.95N异质结代替传统Al0.2Ga0.8N/GaN异质结,显著提高了增强型高压氮化物高电子迁移率晶体管（HEMT）器件的性能。在Al0.2Ga0.8N/Al0.05Ga0.95N异质结上淀积p型GaN实现增强型沟道,通过将GaN沟道替换为Al0.05Ga0.95N沟道使阈值电压从1.1V提高到1.5V,关态击穿电压从270V提高到580V,提高了114%,开关比也达到10～8,验证了氮化物异质结中用AlGaN沟道替换GaN沟道的可行性和优势。 2.提出了一种凹槽栅p沟道增强型p-GaN/Al0.2Ga0.8N HEMT器件,来实现与n沟道增强型Al0.2Ga0.8N/Al0.05Ga0.95N HEMT的互补器件集成单元。栅下凹槽深度从40nm提高到60nm,器件的阈值电压从-0.9V移动到-3.3V,开关比达到10～5,栅极和漏极的关态漏电密度均低于10-6m A/mm。用钯金合金代替镍金合金作为欧姆接触金属,将接触电阻RC从258Ω·mm降低到了231Ω·mm。这些特性有利于实现低功耗设计,为提高系统的工作频率、效率以及可靠性提供了一种解决思路。 3.开展了成本较低的Si基AlGaN沟道异质结和电力电子器件研究。去除Si N/AlN/Al0.05Ga0.95N外延片上的Si N使片上方块电阻从1762Ω/（?）提升到10kΩ/（?）。去除栅下Si N制备出n沟道增强型AlN/Al0.05Ga0.95N HEMT,其阈值电压为0.4V,开关比大于10～8,并且亚阈值摆幅仅有63m V/dec。当栅漏间距LGD从16μm增加到26μm,衬底不接地的器件的关态击穿电压从570V提高至1000V,而当衬底接地时,器件的关态击穿电压仅从490V提高至665V,揭示出Si基AlGaN器件存在纵向的衬底击穿现象,为进一步设计并提高器件耐压特性提供理论支撑。 4.提出Al2O3/Si O2双层钝化结构,制备出高性能的n沟道耗尽型AlN/Al0.05Ga0.95N HEMT。阈值电压为-0.6V,开关比大于10～8,并且亚阈值摆幅仅有64m V/dec。变频电容/电导数据显示,双层钝化的Si N/AlN/Al0.05Ga0.95N异质结结构中,陷阱集中分布在导带以下0.309e V～0.327e V范围,相应的态密度为2.17×1013～2.54×1012cm-2e V-1。在衬底不接地条件下,LGD从12μm提高到26μm时,器件的关态击穿电压从675V提升到1428V,在LGD达到32μm时提升至1488V。当器件扩展到栅宽20mm大尺寸时,饱和漏极电流达到6.4A,Baliga品质因数达到1.91×10～8V2/（Ω·cm2）,成功制备出性能较为优越的AlGaN基电力电子器件,以应对实际应用上的耐压挑战。 本文循序渐进,从AlGaN替代GaN作为沟道材料的优势研究到AlGaN基电力电子器件的可靠性研究,进而设计并制备出性能较为优越的AlGaN基电力电子器件,从而保障AlGaN基电力电子器件在航空航天及电力领域的应用。