大功率IGBT器件及其组合多时间尺度动力学表征研究综述

在提出电力电子器件及其组合多时间尺度动力学表征需求的前提下,以目前常用的全控型电力电子器件——绝缘栅双极晶体管(Insulated Gate Bipolar Transistor,IGBT)为例,系统分析并归纳了目前在IGBT及其组合多时间尺度动力学表征研究方面的进展和成果,包括作为基础的大功率IGBT及其组合多时间尺度电热瞬态建模方法、基于模型的大功率IGBT模块失效量化表征方法以及用于辅助分析的IGBT组合多速率仿真方法。此外,介绍了基于IGBT多时间尺度模型的装置应用设计案例。从建模方法、可靠性评估、仿真手段以及应用设计四个方面系统全面地阐述了大功率IGBT及其组合多时间尺度的动力学表征方法,可为电力电子混杂系统的精确设计提供电力电子器件层面的理论和技术支撑。     

不可逆定常态流热机的有限时间热力学最优化

在考虑工质与热源间热阻损失的内可逆热机模型基础上,用一常数项表示热漏损失,用一常系数项表示循环中除热阻和热漏外的其余不可逆性（如摩擦、涡流、非平衡等）,建立了一个不可逆定常态能量转换卡诺热机模型,并对其进行有限时间热力学分析,导出循环的最佳功率与效率关系,并得到了最大功率及其相应的效率和最大效率及其相应的功率。由此模型可准确描述各种不可逆性对热机性能的影响。由此得到的热机功率效率特性与实际热机特性相同。     

具有热阻、热漏和内不可逆性的联合卡诺热机生态学优化

用有限时间热力学的方法分析具有热阻、热漏、内不可逆性的定常流联合卡诺型热机循环.导出了在傅立叶导热定律下联合循环功率、效率和生态学指标的性能,并进行优化;得到功率、效率和生态学指标之间的优化关系,并由数值计算分析了功率、效率和循环熵产率之间的关系.所得的结果表明,最大生态学指标下的效率十分接近于联合循环可以达到的最大效率;相应的熵产率也要低于以输出功率为优化目标时的熵产率.     

一种软启动／软关断电子开关设计

介绍了一种具有软启动／软关断功能的电子开关模块,该电子开关以功率器件BTS555为核心,辅以软启动／软关断电路,可以实现电机类感性负载的软启动／软关断功能,有利于抑制电动机的启动电流,减小供电电网的电压波动,改善供电质量。同时,设计的采样电路可以精确测量电压、电流信号,有利于电网的智能化控制和故障自诊断。     

冷阴极高阻抗相对论速调管放大器的模拟研究*(高功率微波专题组稿)

采用MAGIC 2.5-D模拟软件,建立了基于冷阴极发射实心束的高阻抗相对论速调管放大器模型。该模型由一个带屏蔽环的二极管,5个简单药盒型谐振腔和1个锥形收集极构成。为了给具有高效率的高阻抗相对论速调管提供实心束,同时实现设备的简单化和紧凑化,采用冷阴极取代传统的热电子枪,不仅易操作而且大大降低能耗和经费。通过在传统二极管阴极侧面引入屏蔽环,利用屏蔽极大地提高电子束阻抗,同时其位置和形状能明显降低非发射区的场强,并且有效改善阴极端面发射的均匀性。在束波互作用区,通过依次调节末前腔和输出腔的位置并结合导引磁场的大小对输出的微波进行优化,结果表明：在二极管发射电压525 kV、电流328 A的实心束及外加磁场0.35 T的条件下, 当注入功率为1 kW时, 在11.424GHz的中心频率处获得了功率81 MW,效率47 %,增益49 dB的微波。     

冷阴极高阻抗相对论速调管放大器的模拟研究

采用粒子模拟软件,建立了冷阴极发射实心束的高阻抗相对论速调管放大器模型。该模型由1个带屏蔽环的二极管,5个简单药盒型谐振腔和1个锥形收集极构成。为了给具有高效率的高阻抗相对论速调管提供实心束,同时实现设备的简单化和紧凑化,采用冷阴极取代传统的热电子枪,不仅易操作而且大大降低能耗和经费。在传统二极管阴极侧面引入屏蔽环,利用屏蔽极大地提高电子束阻抗,同时屏蔽环的位置和形状能明显降低非发射区的场强,并且有效改善阴极端面发射的均匀性。在束波互作用区,通过依次调节末前腔和输出腔的位置并结合导引磁场的大小对输出的微波进行优化,结果表明:在二极管发射电压525k V、电流328A的实心束及外加磁场0.35T的条件下,当注入功率为1k W时,在11.424GHz的中心频率处获得了功率81MW,效率47%,增益49d B的微波。     

复合材料修补金属裂损结构吸湿老化的试验与有限元分析

暴露在湿热环境中的复合材料修补金属裂损结构易吸湿老化,导致该结构性能下降,服役寿命缩短。为研究吸湿性对复合材料修补金属裂损结构修补效果和耐久性的影响,利用试验方法分析了吸湿性对复合材料胶补金属裂损结构及胶黏剂力学性能的影响;利用有限元方法评估了吸湿性对复合材料胶补金属裂损结构试验件修补效果和耐久性的影响。研究结果表明:吸湿后含穿透双边裂纹铝合金板玻璃纤维单面胶补试验件的疲劳裂纹扩展寿命和极限载荷的平均值分别下降为吸湿前的71%和90%;吸湿造成拉伸条件下复合材料胶补金属裂损结构胶层失效模式由内聚破坏为主转变为界面破坏为主;在"湿-热"老化30天后,E44/聚酰胺环氧树脂胶黏剂试验件吸水饱和,弹性模量下降为未老化前的40%,塑性应变超过了总应变的25%;有限元分析发现胶层损伤受吸湿影响明显,吸湿性加速了胶层损伤,且裂纹长度越长,加速作用越明显;同时吸湿使得裂纹尖端的J积分值急剧增大,导致修补结构的疲劳裂纹扩展寿命缩短,裂纹长度越长,吸湿性对于复合材料胶接修补效果的危害越严重。     

三重化交错并联DC/DC变换器优化控制研究

设计了一种适用于大容量储能系统功率控制的三重化交错并联双向DC/DC变换器。针对具有强非线性、滞后和参数存在漂移的DC/DC变换器,采用平均状态空间法进行了数学建模及分析,提出了基于电流和电压的双闭环PID控制方案,使用了幅相裕度法对PI参数进行整定,最后设计实验验证了所采用的控制策略。实验结果表明,变换器在较宽的工作范围内实现了零电压开关工作,消除了动态电流变化导致的过充和过放,在较大负载变化范围内实现了95%以上的效率。     

高速铁路网络延误传播分析

针对既有方法研究高速铁路网络中延误传播规律的局限性,基于高速列车实绩运行数据和列车时刻表数据构建站点延误传播贝叶斯网络模型。结合复杂网络中的渗流理论研究延误传播团簇的演变规律,并以最大延误传播团簇中的南京南站和第二大延误传播团簇中的长沙南站为例,分析处于渗流突变状态下的站点延误传播贝叶斯网络。提出基于核心延误传播团簇的站点延误状态预测模型。结果表明：网络中的站点可按延误传播特征分为延误发散站点、延误传递站点和延误消散站点。延误发散站点不仅能直接将延误传播至邻近站点,还能通过延误传播链将延误传播至较远地区的站点。由此网络以部分延误发散站点为中心向延误传递站点和延误消散站点进行“辐射式”延误传播。     

Transverse relaxation characteristic and stress relaxation model considering molecular chains of HTPB coating based on pre-strained thermal aging

In order to accurately describe the transverse relaxation characteristic and stress relaxation modulus of HTPB coating during pre-strain thermal aging process, a one month thermal aging test was carried out at 70 C with pre-strain of 0％, 3％, 6％ and 9％, respectively. The low-field 1H NMR and stress relaxation modulus tests were carried out for HTPB coating at different aging stages. The stress relaxation model considering the molecular chains was proposed according to the changes of crosslinking chain and dangling chain of HTPB coating during pre-strain aging. The results showed that with the increase of aging time, the decay rate of transverse relaxation curve became faster, the transverse relaxation time decreased, the value of combined parameter qMrl increased, the proportion of crosslinking chain decreased, while the proportion of dangling chain increased. Moreover, the stress relaxation modulus increased, the crosslinking network structure of HTPB coating became denser and the degree of cross-linking increased. At the initial aging stage, the pre-strain will destroy the crosslinking network structure of HTPB coating to a certain extent. With the increase of aging time, the effect of pre-strain will gradually weaken and the influence of aging on materials will gradually increase. The correlations between the stress relaxation model considering the molecular chains and the test results were more than 0.9950, which can accurately describe the stress relaxation modulus of HTPB coating during the pre-strain thermal aging process.     

一种新型直流电网短路限流装置的设计与分析

针对直流电网短路故障时迅速产生的短路电流,利用IGBT器件为核心,设计出一种新型的直流短路电网限流装置并阐述了其工作原理.在分析了该装置的各种工作状态后,给出了对应的数学解析模型,为直流电网短路限流装置各参数的设计提供了理论依据.研制出小功率实验样机,并经过实验验证了解析模型的正确性和所设计的限流装置工作的快速有效性.     

动圈扬声器涡流阻抗建模

由音圈涡流效应引起的涡流阻抗对小信号下动圈扬声器的高频响应影响较大。基于集总参数系统等效电路法,将涡流阻抗的幅值和相位分别表示为角频率的幂指数函数,提出了音圈涡流阻抗的幂指模型。使用激光阻抗测量系统,测量得到了3种类型6只扬声器单元的电阻抗曲线,并采用最小二乘法对实测阻抗进行曲线拟合,得到了涡流阻抗的模型参数。分析了模拟阻抗值与实测值的误差,结果表明:幂指模型的模拟结果准确反映了实测涡流阻抗随频率的变化规律,幅值和相位误差均较小,与实验吻合较好。     

一种大功率开关电源的设计及效能分析

在实验研究的基础上 ,提出一种采用IGBT器件的高效大功率开关电源的设计方法 ,着重分析了系统主回路中影响效率的各主要因素以及应采取的对策 ,实验证明可使效率达 90 %以上。     

基于SOPC的IGBT开关特性实时仿真系统设计

在电力电子装置的仿真研究中,大功率高速开关器件,如IGBT、IGCT等,因开关速度快且电磁特性复杂,多被当作理想器件处理。尽管理想化后,其作为开关器件的功能并未丧失,但在高频电路中,器件的开关特性对系统影响已不容忽视,这种理想的处理方式忽略了器件开通和关断本身的电磁响应,必然导致仿真的可信度降低。为此,分析了IGBT实时仿真的必要性和难点,提出以单周期时延法为基础的优化实时仿真算法,并基于SOPC技术设计了IGBT实时仿真系统。仿真实验结果表明:该系统能够满足IGBT实时仿真的需要。     

三相绕组切换电路分析与设计

针对在装甲车辆中体积、功率受限条件下,永磁电动机提升低速转矩与拓宽弱磁工作范围难以兼顾的问题,提出了采用电动机绕组换接的方法。提出了一种切换电路的设计方案,采用电路仿真软件Muhisim分析了切换电路的动态工作过程。在此基础上,构建了一套适用于三相绕组切换的零电流切换控制系统,可通过上位机观测电路中的电流波形,并实现对绕组的串、并联结构进行切换控制。试验结果表明：该电路可快速实现绕组的串／并联切换,而且基本上不会产生电压冲击。     

发变电所传导干扰分析与抑制措施的研究

通过对发变电所由开关操作在二次系统和低压交流电源系统传导测量结果的分析，确定变电站低压交流电源中传导干扰的特征，利用安捷伦（Agilent）矢量网络分析仪，研究几种典型电源滤波器的插入损耗和特性阻抗等频率特性，应用夏弗纳（Schaffner）等系列抗扰度试验设备，研究电源滤波器对电快速瞬变脉冲群和衰减振荡波的滤波和抑制效果，给出了变电站电源滤波器的滤波特性要求。     

杂散参数对串联型磁脉冲压缩器输出特性影响*

使用电路模拟软件(P-Spice)分析了脉冲电容器自身电感、磁开关绕组匝间电容以及磁芯处于不同工作状态时,磁开关绕组自身阻抗等杂散参数对串联型磁脉冲压缩器输出特性的影响。结果表明,匝间电容和磁芯处于未饱和状态下的绕组自身电阻对系统的输出特性影响相对较小;磁芯处于饱和状态时,绕组自身阻抗对系统的电压传输效率影响较大;脉冲电容器的自身电感不仅会降低系统的电压传递效率,同时会影响到输出脉冲上升沿的宽度。基于以上的结论,对单级串联型磁脉冲压缩器进行了优化设计并研制了一台输出峰值电压26kV,脉冲上升时间由4.1us压缩到1.2us的串联型磁脉冲压缩器,电压传输效率大于92.5%。     

坦克排烟管热电转换模拟试验研究

为降低坦克排烟管的红外特性,设计了应用于坦克排烟管高温表面的热电转换方案,并进行了模拟试验和理论计算。结果表明：热电转换器件的开路电压和负载电压、负载电流随冷热面温差的增加呈线性增长,而输出功率、效率则以二次方的速度增长;多片热电转换器件组合能够实现所要求的电能输出。试验中热电系统产生的电能驱动散热风扇运转,说明热电转换用于高温度、高热通量场合实现红外抑制的目的是切实可行的。模拟试验表明：经热量转换和热量转移后热电转换系统表面温度较模拟坦克排烟管表面温度下降超过33％,说明利用热电转换方案实现坦克高温部位的红外抑制效果明显。