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关键词： 开关电源   磁芯材料   认知诊断   知识图谱  

摘要： 开关电源在科学研究、电力建设、国防设施等各个领域上都有重要的应用价值,因此设计与制作高性能、低体积的开关电源尤为重要。在开关电源的核心组成部件中,磁性元件是具有特殊作用的一种,它具备储能、能量转换及隔离等重要功能。其中饱和特性是磁性元件的特有性质,在许多实际应用场合中,电源发热甚至烧毁电路的主要因素就是磁性元件过饱和。但磁性元件设计由于开关电源设计人员认知能力有限,对自身能力与发展认知不足,同时对开关电源整体设计很难形成知识网络,对具体电路故障及其影响因素认知不足,很难建立起电路故障及影响故障相关因素的关系网。因此,本文设计电力电子人工智能导学系统,针对电源设计特定复杂工程问题,以提高认知诊断结果的辨识度为目标,深入研究开关电源磁性元件独特的物理特性,开展对开关电源设计人员的智能化评估,并结合知识图谱技术进行个性化指导,进而提升开关电源的设计质量及效率。首先基于BUCK和BOOST电路原理,分析电路中的性能指标以及计算方法,引入电感磁芯材料类型,利用WEBENCH软件分析不同磁芯材料的电感饱和特性,以及不同的电感饱和特性对电流限制功能的影响,并作为认知诊断模型构建以及个性化实验项目推送的研究基础。其次根据不同电感磁芯材料类型和磁芯饱和特性这一特定的认知技能,设计体现认知技能特征的实验项目任务模型,构建基于贝叶斯网络的认知诊断模型。再引入项目反应理论(IRT),分析认知诊断模型中熟练度模型和证据模型的变量间关系,计算变量间的条件概率。根据设计人员的测试结果,并采用马尔科夫链蒙特卡洛(MCMC)估计方法,通过WINBUGS软件计算认知诊断模型中变量的后验概率分布,诊断出设计人员在开关电源磁性元件设计上的认知能力,区分出设计人员在磁性元件设计能力上的不同熟练度,进而提供个性化指导。并同时得出变量中参数后验估计的期望、标准差、MC误差和95%HPDI等,基于仿真结果分析参数的收敛性,提高认知诊断模型的正确性,有效性和可靠性。最后,基于知识图谱技术,提取实验项目中所包含的知识点和要求掌握的能力点,构建开关电源知识图谱,帮助设计人员快速,准确地查找所需要的实验任务。然后引入新的电源研究任务,逐步增加知识图谱中的节点。同时,对不同的设计人员构建个性化的认知技能图谱。最后,采用皮尔逊相关性方法,开发开关电源设计智能导学系统,根据设计人员的知识或能力短板,个性化推送实验项目,实现个性化智能导学。

关键词： 电力电子变换器   输入/输出线缆   信号回路   级联多端口模型   建模   电磁干扰   串扰预测   串扰抑制  

摘要： 在船舰、牵引电车和航空航天中,大量使用电力电子变换器进行电能变换,其中船舰、牵引电车和航天飞机中的空间有限,电力电子变换器输入/输出线缆和信号回路之间的分布异常紧凑,导致输入/输出线缆和信号回路之间存在大量的近场耦合效应。电力电子变换器输入/输出线缆中的电磁干扰(Electromegnetic Interference,EMI)会通过线缆间的近场耦合在信号回路中形成串扰(Crosstalk),串扰问题不仅会增加信号回路的电磁干扰,对信号质量产生不利影响,同时可能威胁到系统本身的正常稳定运行,造成船舶声呐失效,牵引电车闭锁停机等严重问题。因此,本文主要对电力电子变换器输入/输出线缆和信号回路间的串扰进行建模预测及抑制研究。首先,本文提出了一种新颖的用于模拟电力电子变换器输入/输出线缆和信号回路间串扰的级联多端口模型,以准确模拟电力电子变换器的输入/输出线缆和信号回路间的近场耦合效应。方法具体如下:深入剖析电力电子变换器中关键部件的物理结构特性,通过阻抗分析仪测量其阻抗特性曲线,并选用合适的高频等效模型进行参数拟合,进而建立电力电子变换器的高频模型;基于线缆间的近场耦合特性,利用Q3D Extractor提取线缆间的阻抗矩阵,结合数值分析得到线缆的近场耦合模型;进一步将分化的电力电子变换器高频模型和线缆间近场耦合模型进行整合,同时将线缆模型展开为级联形式,即可得到电力电子变换器输入/输出线缆和信号回路间的长度可伸缩的级联多端口串扰模型,为后续的电力电子变换器输入/输出线缆和信号回路间的串扰预测奠定理论基础。然后,本文提出了一种基于转移阻抗的电力电子变换器输入/输出线缆和信号回路间的串扰预测方法,以准确估计电力电子变换器输入/输出线缆中的EMI对信号回路的影响,实现对信号回路中共差模串扰的精准预测。具体方法如下:在级联多端口串扰模型的基础上,研究串扰产生的机理,利用电磁干扰共差模分离的方法,得到了电力电子变换器输入/输出线缆和信号回路的共差模串扰流通路径。基于共差模电磁干扰的特性建立共差模串扰流通路径的简化模型,进而得到串扰的边界条件。建立线缆间串扰的数学模型,结合递归推导以及相应的边界条件,即可得到线缆间串扰的预测方法,并通过实验验证了该方法的有效性。该方法能准确估计电力电子变换器输入/输出线缆和信号回路分别采用不同长度的非屏蔽和屏蔽线缆时的共差模串扰情况。最后,本文提出了一种基于改进接地方式的电力电子变换器输入/输出线缆和信号回路间的串扰抑制方法,以减小电力电子变换器输入/输出线缆和信号回路间的串扰。不仅从串扰产生机理和传导路径方面定性地分析了传统接地方式和改进型接地方式的区别,而且从数学角度定量地论证了改进型接地方式的有效性。通过仿真和实验验证了该方案的性能,该措施在不增加设备复杂性的基础上,有效地减小了电力电子变换器输入/输出线缆和信号回路间的串扰,显著地提高了屏蔽线缆的屏蔽效能。

关键词： 氮化镓   异质结   高电子迁移率晶体管   增强型   栅耐压   钪铝氮   高耐压  

摘要： GaN基HEMT器件是当前最受关注的电力电子器件之一,具有非常广泛的应用前景。为了不断提高HEMT器件在电源开关领域的的工作性能,需要不断优化其结构与制造工艺,从而提高器件击穿电压、提高p-GaN栅耐压、提升输出电流密度等。为此,本文重点从提升耗尽型AlGaN HEMT器件耐压、降低增强型GaN HEMT器件栅漏电、探索大电流ScAlN/GaN HEMT器件等三个方面,分别对GaN基HEMT器件的结构进行了设计与优化。本文主要的研究成果如下:（1）针对HEMT器件的击穿问题,提出了具有RESURF结构的Al0.4Ga0.6N/Al0.1Ga0.9N HEMT器件。首先,通过优化其p型掺杂区的掺杂浓度,当掺杂浓度为5×1018cm-3时,将击穿电压由常规器件的819 V提高到了1256 V,阈值电压由常规器件的-2.71 V提高到了-2.57 V。随后固定掺杂浓度,对不同掺杂区长度的RESURF结构AlGaN沟道HEMT器件的电学特性进行了研究。当掺杂区长度由1μm增大到4μm时,BV由1256 V提高至1746 V,器件FOM由常规器件的2.49×10～8V2·Ω-1·cm-2提高到了8.28×10～8V2·Ω-1·cm-2。引入p+掺杂区后,会在掺杂区漏端引入一个新的电场峰值。不同p型掺杂区长度的器件,其电场分布在竖直方向分量积分面积则有所下降,最终达到了优化电场分布的效果,从而提高了击穿电压。最后,对不同铝组分下RESURF AlGaN HEMT器件击穿特性进行了进一步讨论。常规AlGaN沟道HEMT器件,当沟道层/缓冲层的Al组分从10%增加到25%时,击穿电压从819V增加到1372 V,FOM由2.49×10～8V2·Ω-1·cm-2增加到了3.22×10～8V2·Ω-1·cm-2。而对于RESURF结构AlGaN HEMT器件,将Al组分从10%增加到25%,击穿电压则由1746 V增加到2199 V。（2）通过在带p-GaN帽层的GaN增强型HEMT器件中引入栅介质,有效降低了器件栅漏电。首先,使用O2 plasma对带p-GaN帽层的GaN增强型HEMT器件的p-GaN进行表面处理,研究其对器件阈值电压和栅漏电的影响。研究表明,O2 plasma处理能够有效减小器件栅漏电,当栅压为10V时,经过5 min、200 W O2 plasma处理器件的栅漏电比未经该处理的器件减小一个数量级以上,从而将栅耐压由4.12 V提升至10 V以上。p-GaN增强型HEMT器件中引入Al2O3栅介质同样可以有效抑制HEMT器件的栅漏电,其栅漏电比常规p-GaN增强型器件降低了一个数量级以上。与此同时,该结构还能够提高器件阈值电压,阈值电压由2.27 V提高到了4.62 V。将Al2O3栅介质与栅源桥结构结合后,阈值电压可由2.27 V提高到6.58 V。（3）对ScAlN/GaN大电流HEMT器件进行了仿真,获得了开关比为～10～6,跨导峰为0.59 S/mm,输出电流IDS=4.77A/mm的大电流器件,实现了远高于常规AlGaN/GaN HEMT器件的电流密度。随后对p-GaN帽层ScAlN/GaN增强型HEMT器件进行了仿真,获得的增强型阈值电压为VTH=1.98 V,开关比为～10～6,跨导峰值为0.32 S/mm,饱和输出电流Isat=1.91A/mm,实现了远高于常规p-GaN增强型器件的电流密度。当在p-GaN ScAlN/GaN HEMT器件中引入20 nm Al2O3作为栅介质后,器件阈值电压被提高至4.83 V,而且该阈值电压可随栅介质的参数进行合理调制。综上,本文对GaN基HEMT的器件击穿电压、p-GaN栅耐压、输出电流密度方面开展了设计优化研究,获得了较好的设计结果,展示出了GaN基HEMT器件在电力电子领域的巨大优势与广阔的应用前景。

关键词： 电力电子技术   Matlab/Simulink   单相桥式整流电路  

摘要： 通过单相桥式全控整流电路的具体实例,将Matlab/Simulink 仿真技术应用于电力电子技术的理论教学过程中。给出了电阻负载与阻感负载下的仿真波形,将电感对输出电压、电流波形的影响清晰的呈现出来;获取输出电压平均值与晶闸管电流有效值,方便晶闸管选型。采用仿真辅助教学,便于学生理解,提高课堂效率;也提高学生利用工具的能力,为以后解决复杂工程问题打下良好基础。

关键词： 电力电子变压器   温度场分布   热应力   有限元分析   流固耦合  

摘要： 电力电子变压器具有体积小、重量轻、环境友好等优点,在海上风电中压直流汇集、电力机车牵引、柔性变电站等场合有广泛的应用前景,得到了学术界和产业界的广泛关注。与普通高频变压器相比,电力电子变压器运行电压更高、容量和功率密度更大,因此其绝缘方式与普通高频变压器有很大差异。电力电子变压器绝缘方式主要有油式绝缘和环氧绝缘,环氧绝缘具有重量轻、环境友好、安全系数高的优势,是未来电力电子变压器绝缘发展的趋势。虽然环氧绝缘具有以上优点,但其散热性能不良,应用到电力电子变压器中,容易导致变压器绝缘结构出现较大的温度分布不均,造成绝缘开裂问题。因此,开展对电力电子变压器温度、应力场的仿真分析,对于电力电子变压器故障点预测及封装绝缘设计具有重要意义。本文对电力电子变压器开展了温度场、应力场仿真研究,主要内容如下:(1)根据实际尺寸建立了220 k W/30 k Hz电力电子变压器的几何模型,对变压器各部分进行了细致的网格剖分,并根据变压器运行中的物理过程建立了流体力学、固体力学以及热力学的基本方程,并分析了电力电子变压器的内部热源分布和独特的散热方式,计算了电力电子变压器运行过程中产生的负载损耗以及铁芯损耗,为温度场、应力场计算分析提供初始条件。(2)研究了电力电子变压器的温度场分布规律,对电力电子变压器整体以及高、低压绕组的温度分布进行了仿真计算,并分析了环境温度、运行状态、风速以及环氧绝缘导热系数对变压器温度场分布的影响。研究发现:电力电子变压器的热点温度位于高压绕组上;环氧绝缘材料导热系数为1.1 W/(m·K)时,变压器的温度分布满足GB 1094.11的规范要求,且具有30%的负载裕度;最后对实际电力电子变压器进行了温升试验,测试了实际变压器的内部温升,将有限元仿真结果与实际试验测试结果进行对比,验证了有限元计算结果的准确性。(3)研究了在不同运行状态下和温度冲击下的电力电子变压器绝缘结构热应力分布规律,并计算分析了环氧绝缘材料参数对内部热应力的影响。研究发现:短路时间为3s时,变压器内部环氧绝缘承受的拉应力为70 MPa;升、降温时,变压器外侧、内侧分别承担较大的热应力;温度冲击下,电力电子变压器拉应力达到了90 MPa;环氧绝缘材料导热系数大于1.1 W/(m·K),且热膨胀系数小于40 ppm/K时,变压器内部绝缘承受的应力最大为90 MPa。希望论文的研究结果为电力电子变压器运行过程中的绝缘故障分析、绝缘设计和材料选型提供参考。

关键词： 微课   信息化教学   应用   电力电子技术  

摘要： 电力电子技术作为中职院校电气自动化的重点课程,在人才能力提高和培养过程中起到了重要作用,不仅能够锻炼学生思维能力还能提高对实验认识能力。电力电子技术课程内容复杂且难度较大导致许多学生在面临枯燥的控制方法和电路分析过程中丧失了学习兴趣,不仅没有提高对该课程的学习热情甚至对课堂教学产生了厌烦情绪。因此中职教师为了解决这一问题推出来信息化教学手段,通过微课为主的多媒体教学、验证性实验等多种方式在教学中应用,不仅提高学生兴趣的同时还体现了中职教育的特色,能够将书本理论和具体实践相结合最终提高教学质量,为我国新型人才的培养奠定了良好基础。

关键词： 电机与拖动   自动化   运动控制系统   电力电子  

摘要： "电机与拖动"是自动化专业核心课程,涵盖知识面广,工程背景强,关联的专业课程众多,如电机学、运动控制系统、电力电子等课程都有涉及,对学生的专业能力培养至关重要。针对这门课程教学中存在的一些问题,如传统的教学周期较长、知识量较大、教学形式相对单一、课本内容知识更新不够及时、对技术发展的跟进存在不足等,本文提供了一些教学改革方法和建议,以供参考。

关键词： 在线监测   电力电子技术   电力节能   节能产品  

摘要： 电能是目前世界上主要使用的能源,随着科技的发展,越来越多的重复劳动被机器取代,电能就显得尤为重要,电能质量的好坏直接影响设备的稳定性和使用寿命,在线监测电能质量能很好对设备起到预警保护作用,如何提高电能利用效率,成为目前研究的热点,本文通过生成实际提出合理规划布局、使用电力电子技术、使用先进节能产品等方法,通过实践调研得出能取得很好节能效果。

关键词： 电力电子   故障预测   电路故障   技术  

摘要： 电力电子电路是电子系统的核心,倘若电子电路出现故障,就会造成整个系统出现故障。想要提高设备的使用效率,就需要维修人员不定期地对设备的运行状态进行检查,充分地了解设备的使用状况,及时维修设备内部老旧的零件,文章针对电力电子电路故障预测技术相关知识进行论述。

关键词： 无耦合变压器   DSP   FPGA   AC-DC-AC转换   供电电压质量  

摘要： 本文综合考虑配电台区供电电压不合格产生原因，提出一种基于电力电子技术的无耦合变压器结构电压调整方法，通过实时采集输入电压、电流信号，与目标基准电压作差，经DSP和FPGA的双CPU核心控制器分析计算出补偿电压，通过控制电力电子器件AC-DC-AC转换，输出与差值电压大小相等、方向相反的电压叠加到电网电压上，实现输出稳定的合格电压的目标。通过样机的工程实例应用验证了该方法在配电台区改善供电电压的可行性与优越性，并展望配电台区改善供电电压质量新的发展方向。