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关键词： Aluminum nitride   Gallium nitride   Gallium oxide   Optoelectronics   Power electronics   Wide bandgap semiconductors  

摘要： Wide bandgap (WBG) semiconductors GaN (3.4 eV), Ga2O3 (4.8 eV) and AlN (6.2 eV), have gained considerable interests for energy-efficient optoelectronic and electronic applications in solid-state lighting, photovoltaics, power conversion, and so on. They can offer unique device performance compared with traditional semiconductors such as Si. Efficient GaN based light-emitting diodes (LEDs) have increasingly displaced incandescent and fluorescent bulbs as the new major light sources for lighting and display. In addition, due to their large bandgap and high critical electrical field, WBG semiconductors are also ideal candidates for efficient power conversion. In this dissertation, two types of devices are demonstrated: optoelectronic and electronic devices. Commercial polar c-plane LEDs suffer from reduced efficiency with increasing current densities, knowns as “efficiency droop”, while nonpolar/semipolar LEDs exhibit a very low efficiency droop. A modified ABC model with weak phase space filling effects is proposed to explain the low droop performance, providing insights for designing droop-free LEDs. The other emerging optoelectronics is nonpolar/semipolar III-nitride intersubband transition (ISBT) based photodetectors in terahertz and far infrared regime due to the large optical phonon energy and band offset, and the potential of room-temperature operation. ISBT properties are systematically studied for devices with different structures parameters. In terms of electronic devices, vertical GaN p-n diodes and Schottky barrier diodes (SBDs) with high breakdown voltages are homoepitaxially grown on GaN bulk substrates with much reduced defect densities and improved device performance. The advantages of the vertical structure over the lateral structure are multifold: smaller chip area, larger current, less sensitivity to surface states, better scalability, and smaller current dispersion. Three methods are proposed to boost the device performances: thick buffer layer desi

关键词： 电力技术   电子技术   新能源领域  

摘要： 本文详细阐述了把新能源运用在电力电子技术上的重要性,并提出了新能源在电力电子技术上的具体运用,以此来逐步改善我国能源的使用结构,从而促进我国新能源行业的顺利发展.

关键词： DC-DC变换器   高增益   宽范围   高效率  

摘要： 随着经济的发展与一次能源的消耗,电动汽车因其绿色环保的特点,销量用日益增加。DC-DC电力电子变换器是电动汽车中必不可少的一部分。太阳能具有绿色清洁,分布广泛且取之不尽,用之不竭的特点。利用DC-DC变换器,可将太阳能产生的能量传输给电动汽车内的蓄电池组。但光伏组件输出电压较低,同时蓄电池组在没电和满电时电压差距大,因此需要一种新型宽范围输出、高增益、高效率的DC-DC变换器。本文提出了一种新拓扑,可以为负载提供宽范围输出,具有14.3的增益比,并保证全范围效率高于92%,效率最高达到95%。本文首先论述了宽范围输出,高增益比的DC-DC变换器研究背景及意义,并分析了几种高效率,宽范围的电路拓扑。根据装置设计要求,讨论了集中可行的电路方案。通过电路参数和结构的比较,优中择优,确定了将boost升压电路和flyback反激电路集成的方案,但也分析了该方案存在的缺点及实现过程中可能遇到的问题。其次,对DC-DC变换器进行了电路参数设计,磁设计以及周围电路设计。为了实现高增益,宽范围输出以及效率高的目标,电路中集成的电容既为主开关管提供反向电流,减小了主开关管的开通损耗;又为输出提供了一部分电压增益,从而提高了拓扑整体的电压增益。磁设计部分选取适合工作在高频下的磁性材料并且对磁芯形状进行选型。然后对不同磁芯绕组的缠绕方式进行对比,选出适合本方案的磁芯。最后,对DC-DC变换器电路中各部分元件进行选型对比,对驱动电路进行设计。利用Ltspice仿真,并对实验结果进行了数据分析。实验结果最终表明本变换器可以正常工作,并具备了效率高,输出范围宽,电压增益高,散热效果好的优点,可应用于太阳能电动汽车的开发过程中。

关键词： 多级级联系统   子模块建模   稳定性分析   阻抗比   Nyquist稳定性判据  

摘要： 随着电力电子技术的广泛应用,电力电子系统逐渐趋于模块化,多模块的并联或串联可以灵活构成更复杂多样的电力电子装置,但是也给系统的稳定性分析带来了困难。模块串行级联结构是复杂电力电子系统的基本结构之一,本文着重研究电力电子变流器多模块级联系统的稳定性分析方法。在现有两级源荷模块稳定性分析方法的基础上,提出将多级级联模块转化为两级源荷模块后,再利用现有阻抗比判据来分析,或将多级级联模块看作一个整体,求出其开环或闭环传递函数后,再利用奈奎斯特图来分析系统的稳定性。首先,将级联子模块等效为一个二端口网络,定义了单个子模块的小信号模型及模型参数,包括输入输出阻抗以及输入输出电压或电流的传递关系。基于小信号模型的阻抗比特性,分析了传统两级级联系统的稳定性,并指出阻抗比分析法与经典反馈系统传递函数分析法之间的等价关系。针对多模块串行级联系统的稳定性分析,给出了三种分析途径:利用子模块小信号模型及其级联关系,推导出整体级联系统的传递函数,进而采用经典控制理论进行稳性性分析;或将多级级联系统通过子模块整合,重新划分为源荷两级系统,利用阻抗比函数进行稳定性分析;或利用子模块小信号模型推导出等价于系统开环传函的阻抗匹配表达式。提出了将两个级联的子模块等效为一个子模块时的等效模型参数计算方法,进而可由各个子模块的小信号模型参数得到将多级联模块化简为一个等效模块时的等效模型参数,为采用阻抗比判据分析多级级联系统稳定性提供了方法。建立了DC-DC级联系统和AC-DC级联系统的PSIM仿真模型和RT-LAB实验平台。针对具体应用示例,建立了子模块小信号模型,给出了不同参数下级联系统稳定性的理论分析结果与仿真实验结果,仿真实验结果与理论分析结果基本一致,表明了本文所提多级级联系统稳定性分析方法的正确可行性。

关键词： 新工科   电力电子技术   项目式教学  

摘要： 针对传统教学方法已经不适用新工科背景下《电力电子技术》课程教学的问题,文章从"新工科"建设倡导的培养创新人才和工程技术人才目标出发,将项目式教学方法用于《电力电子技术》课程教学,探讨了《电力电子技术》课程项目式教学改革的具体内容和必须解决的关键问题。

关键词： 电力电子系统   通信技术   分布式技术   变流器  

摘要： 科技的不断发展为电力电子系统集成技术提出了更高的要求,为了改变当前行业现状,提高工业自动化水平和企业生产效益,电力电子集成技术得到快速发展.本文从了解电力电子集成系统出发,在了解电力电子系统集成的发展过程以及研究意义和目的的基础上,简要探究了电力电子集成技术中电力电子技术,分布式技术、通信技术以及封装技术这四个关键技术,并对集成芯片标准化,变流器连接选择标准化,中功率变流器连接分析以及变流器对抗特点等技术特点进行分析,最后得出结论.

关键词： IGBT   电磁干扰   电力电子   功率器件   宽频等效电路  

摘要： 功率半导体器件是电力电子领域的重要元器件,是实现强电与弱电之间转换的桥梁,在新能源利用、电动汽车、高铁等领域均有广阔的应用前景。绝缘栅双极型晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,简称IGBT)作为一种迅速发展的新型功率半导体器件,集MOSFET与BJT的优点于一身。IGBT既具有MOSFET的高速开关特性和栅控特性,又具有BJT的低饱和压降特性和大电流导通能力,是比较理想的功率半导体器件。然而IGBT模块工作在高频状态下的开关过程中将产生很高的dv/dt和di/dt,会引发较强的电磁干扰,不仅危害IGBT装置本身,也会影响同一电磁环境中负载设备的正常工作。为了更精确的描述IGBT模块的动态特性,需对开关过程中产生电磁骚扰进行准确的预测,基于此,本文主要研究IGBT宽频等效电路的构建方法。首先,分析了IGBT模块的结构与工作原理,建立了IGBT开关过程等效电路模型,并对IGBT的开关波形进行分时段的详细分析,由于各个时段的波形斜率差异较大,常规低频模型并不能精确的描述IGBT这一动态特性,因此有必要建立IGBT宽频模型,并对提取寄生参数与宽频扩展两个关键点进行探究。其次,运用了三阶段方法测量IGBT模块内部的寄生参数,构建出IGBT模块的寄生参数模型,并将求取的寄生电容与Datasheet手册上的寄生电容进行对比,证明所建寄生参数模型的有效性和准确性。基于IGBT模块的寄生参数模型,对集电极-发射极结电容进行了合理的宽频扩展,即在对IGBT模块开关波形分析的基础上,结合多斜率技术建立了符合电磁兼容性的IGBT模块的宽频行为模型。最后,借助实验室设备本文搭建了IGBT开关特性测试平台和IGBT传导电磁干扰测试平台,获取了高频状态下IGBT模块的关断电压波形和传导电磁干扰频谱,并分别与本文所提出的IGBT模块的宽频等效模型的仿真结果进行对比,从而进一步验证了所提出的宽频电路模型不仅能够模拟IGBT模块在开关过程的电路外特性,而且参数精确度较高。通过实验和仿真结果的对比,在时域和频域两个层面上均验证了所建模型的有效性。

关键词： 高价值   专利   培育  

摘要： 根据《中共江苏省委江苏省人民政府关于加快建设知识产权强省的意见》的有关部署,2015年江苏省知识产权局启动了"高价值专利培育计划"项目,目的是要围绕战略性新兴产业,以重大创新载体为主体,探索建设高价值专利培育示范中心,建立产学研服协同创新新模式,创造一批科技含量高、权利状态稳定、市场效益好、市场竞争力强的高价值专利。但是究竟如何培育高价值专利,这在全国尚无先例,在知识产权工作中也是个新课题。文章总结和提炼了作者单位在"第三代半导体电力电子器件模块高价值专利培育示范中心"的实施方法,对培育高价值专利的模式与机制进行了有益的探索。

关键词： 故障预测及健康管理   功率开关管   电解电容   衰退指标参数   故障特征参数提取   混杂模型   参数辨识   电力电子  

摘要： 故障预测及健康管理技术(PHM)对于保障系统的可靠性及可维护性具有重要作用。随着电力电子装置在各领域的应用愈加广泛,应用环境愈加苛刻,急需研究电力电子装置的PHM技术。PHM技术主要包含故障诊断、状态监测、故障预测三种方法,而故障特征提取技术是这三种方法的必要基础。本文以电力电子装置中故障率较高的主电路器件——功率开关管与电解电容为主要研究对象,重点对其衰退参数以及故障特征参数的提取方法展开研究。论文首先介绍了电力电子主功率器件的故障特征参数及现有的故障特征参数提取方法。分别介绍了功率开关管、电解电容的故障特征参数,对故障参数提取方法的研究现状进行了系统的分类,并指出了故障特征提取技术的研究重点。论文进行了老化实验研究。针对开关管,分别设计了温度循环实验、功率循环实验、门极衰退实验;针对电解电容,分别设计了存储实验、直流(DC)老化实验、交流(AC)老化实验。老化实验中,分别测试了选定参数随老化进程的变化情况,其中开关管选定的测试参数有:阈值电压、导通压降、体二极管压降、漏电流;电解电容选定的测试参数有:电容值、损耗角正切值(tanδ)、漏电流。分别给出了不同老化实验下各参数的变化情况,分析并确定导通电阻(压降)、振铃频率、阈值电压为开关管的故障特征参数,等效串联电阻值(ESR)为电解电容的最佳故障特征参数,为后文的故障特征选取奠定基础。论文研究了功率开关管的故障特征参数提取方法。针对导通电阻(压降),提出了一种基于电压源以及齐纳二极管的电压钳位电路,解决了原有钳位电路中存在的电压尖峰及RC延时的问题,实现了功率开关管导通压降的在线测量。针对振铃频率,首先提出了一种基于杂散电感电压的振铃频率提取技术,实现了开关振铃频率的在线提取;为了同时获取输入电压以排除其对振铃频率的影响,又提出了一种基于经验模态分解(EMD)和快速傅里叶分解(FFT)相结合的振铃频率提取技术。针对阈值电压,利用电力电子电路线路中的杂散电感,提出了一种阈值电压实时监测的方法,解决了阈值电压监测中电流传感器量程与精度难以兼顾的问题。结合Buck电路的仿真与实验,验证了上述方法的有效性。论文研究了电解电容故障特征提取技术。分析了Buck及Boost电路输出电容电压及电流纹波特征,得出其存在的内在关系。针对Buck电路,利用电容纹波电压与纹波电流的正交性,提出了一种tanδ与ESR提取方法。针对Boost电路,利用其输出电压存在突变而电容电压无法突变的特征,提出了一种ESR提取方法。以上方法不仅适用于电流连续模式(CCM)与电流断续模式(DCM)下的阻性负载情况,而且适用于变换器负载的情况。结合系统仿真及实验验证了理论分析的正确性,并证实了上述特征参数提取方法的有效性。论文研究了基于混杂系统理论的功率变换器参数辨识方法。介绍了基于混杂系统参数辨识的基本原理,给出了Buck与Boost电路的基本混杂模型,通过分析发现并指出了原基本模型中存在的缺陷。针对Buck电路,提出了一种基于局部线性模型的参数辨识方法,解决了非理想因素影响辨识精度的问题。针对Boost电路,在基本混杂模型的基础上引入了考虑开关瞬态二极管电流突变的修正量,解决了原基本模型无法正确辨识的问题。通过仿真研究,对各种条件下的模型辨识结果进行了对比,验证了理论分析以及优化方法的有效性。最后,通过系统实验验证了所提方法的有效性。本文工作为电力电子变换器中功率器件的健康管理提供了理论及技术基础,对于推动电力电子系统的PHM技术的应用具有一定的参考价值。

关键词： Dopant contrast   Dopant profiling   Electron holography   Gallium nitride   Scanning electron microscopy   SIMS  

摘要： The availability of bulk gallium nitride (GaN) substrates has generated great interest in the development of vertical GaN-on-GaN power devices. The vertical devices made of GaN have not been able to reach their true potential due to material growth related issues. Power devices typically have patterned p-n, and p-i junctions in lateral, and vertical direction relative to the substrate. Identifying the variations from the intended layer design is crucial for failure analysis of the devices. A most commonly used dopant profiling technique, secondary ion mass spectroscopy (SIMS), does not have the spatial resolution to identify the dopant distribution in patterned devices. The possibility of quantitative dopant profiling at a sub-micron scale for GaN in a scanning electron microscope (SEM) is discussed. The total electron yield in an SEM is shown to be a function of dopant concentration which can potentially be used for quantitative dopant profiling. Etch-and-regrowth is a commonly employed strategy to generate the desired patterned p-n and p-i junctions. The devices involving etch-and-regrowth have poor performance characteristics like high leakage currents, and lower breakdown voltages. This is due to damage induced by the dry etching process, and the nature of the regrowth interface, which is important to understand in order to address the key issue of leakage currents in etched and regrown devices. Electron holography is used for electrostatic potential profiling across the regrowth interfaces to identify the charges introduced by the etching process. SIMS is used to identify the impurities introduced at the interfaces due to etch-and-regrowth process.