电源学报

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高压大容量柔性直流换流阀关键设计和发展趋势

饶宏, 周月宾, 陈煜坤, 杨柳, 赵彪, 易荣, 盛俊毅

电源学报. 2024, 22(3): 1-14. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.3.1

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柔性直流输电技术具有控制灵活性高、无换相失败问题和动态无功支撑能力强等突出优点,已广泛应用于点对点输电、背靠背联网和构建直流电网等场景。柔性直流换流阀通过功率器件的频繁开断来实现交、直流的电能转换,是柔性直流输电工程的核心设备。首先,结合工程实践经验,系统梳理并提出了不同应用场景下柔性直流换流阀的关键设计要求,对比分析了柔性直流输电工程中常用的功率器件及柔性直流换流阀拓扑,展望了柔性直流换流阀的发展趋势。此外,针对2种典型的未来应用场景,对比了不同的技术方案,可为柔性直流输电技术应用于高压大容量远距离输电场景提供有益借鉴。

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车用高可靠性功率器件封装及辅助技术专辑主编述评

梅云辉, 宁圃奇, 雷光寅, 曾正

电源学报. 2024, 22(3): 15-21. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.3.15

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车用功率器件封装研究的进展极大提升了电动汽车的动力性能和续航能力,使得电动汽车更加高效、可靠。随着车用功率器件封装的不断优化,电动汽车行业有望迎来更广阔的市场前景和发展空间。近年来,功率器件封装建模、封装设计与优化、热管理与结温监测、器件驱动与应用、可靠性分析、在线监测等成为研究热点,并受到了学术界及工业界的持续关注。《电源学报》特别推出“车用高可靠性功率器件封装及辅助技术”专辑,以期推进车用功率器件及其应用难点和热点问题的探讨。

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高压大功率开关器件电磁特性的解析模型

赵志斌, 余鹏, 田杰

电源学报. 2024, 22(3): 22-29. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.3.22

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准确获得高压大功率开关器件的电磁特性对器件所在系统的电磁干扰预测十分重要。聚焦用于高压大功率开关器件电磁特性分析的开关波形等效方法,针对当前等效波形过于理想而无法体现器件开关瞬态中复杂频谱分量的问题,提出考虑器件开关过程电磁特性的解析模型。从解析模型的时域解析式出发,基于傅里叶变换理论,推导了解析模型的频域解析式,分析频谱包络特征参数,得到了解析模型的频谱特征。利用Si IGBT和SiC MOSFET器件实测的开关波形,验证了理论分析的正确性。

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混合热网络模型的构建及其结温估计方法

王兆萍, 信金蕾, 杜明星

电源学报. 2024, 22(3): 30-37. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.3.30

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随着绝缘栅双极晶体管在电力电子系统中的广泛应用,对影响其可靠性的结温的准确获取变得至关重要。然而,模块主要的失效形式之一即焊料层的老化,会对结温产生很大的影响。为精确估计结温,结合2种传统热网络模型Cauer和Foster的优点,研究了2种热网络模型的接口方法,完成两部分模型的结合,将芯片焊料层的老化考虑在内提出了一种混合热网络模型。最后,通过有限元仿真和实验测试与混合热网络模型的计算结果对比,验证了混合热网络模型能够实现准确的结温估计,为模块运行状态的监测提供了依据。

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考虑水冷回路的晶闸管换流阀热阻模型建模

蒋张威, 廖彦铭, 傅孝韬, 张智勇, 郎作云

电源学报. 2024, 22(3): 38-45. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.3.38

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结合晶闸管串联水冷回路机构,建立了考虑水冷回路的晶闸管换流阀热阻模型。该模型能够计算出各散热器进水口处的水温,并在此基础上对各级晶闸管的结温进行计算。利用所建模型对换流阀中各组件的热阻进行算例计算;建立稳态热阻模型,对晶闸管结温进行计算。结果表明,考虑水冷回路中冷却液水温差异前后,晶闸管结温计算结果的误差最高可达到10.81%。

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基于SPH算法的热仿真系统开发

朱子厚, 董义卓, 车黎明, 李灿灿, 李敏, 雷光寅

电源学报. 2024, 22(3): 46-53. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.3.46

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随着电子设备日益微型化和集成化,热仿真已成为其设计中的关键因素。电子封装模块的热仿真通常使用传统的有限元法FEM（finite element method）,存在计算效率和精度之间的矛盾,在处理大变形问题和网格畸变方面也容易造成计算不收敛,从而导致结果错误。针对该问题,提出一种基于光滑粒子动力学SPH（smoothed particle hydrodynamics）算法的电子封装模块热仿真系统。该算法基于无网格拉格朗日数值方法,通过将热仿真对象离散为1组粒子的方式求解热传导方程,从而准确地预测电子封装模块的传热与散热,无需生成并处理大量的微小网格,不用担心网格失真等问题。SPH相对于FEM,仿真精度误差保持在1%~2%,仿真效率可提升近30倍,适合用于复杂和动态系统的模拟仿真。

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基于共轭梯度法的晶闸管电热耦合模型快速求解方法研究

刘隆晨, 李龙蛟, 彭东, 禹佳, 杨玥坪, 喻悦箫

电源学报. 2024, 22(3): 54-61. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.3.54

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为解决传统求解技术在处理效率和计算成本上的局限问题,针对晶闸管电热应力耦合交互模型,提出一种基于共轭梯度法的高效解析方法。通过优化迭代过程和收敛条件来显著提升求解效率和精度。新的参数选择策略被引入以自动调整算法迭代步长,加快收敛速度,减少计算资源消耗。相比传统求解方法,所提优化方法在求解时间上平均减少10%,求解精度提高8%。这一进展证明自适应共轭梯度法在电热应力耦合模型快速求解中的有效性,可为电力电子设备热管理提供高效、可靠的计算工具。所提方法在多种测试条件下均表现出显著的提升效率和良好的精确度,为晶闸管电热耦合模型的高效求解提供了创新方案,同时对电力电子领域的相关研究具有重要的实践意义。

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功率器件封装用Cu-Sn全IMC接头制备及其可靠性研究进展

胡虎安, 贾强, 王乙舒, 籍晓亮, 邹贵生, 郭福

电源学报. 2024, 22(3): 62-71. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.3.62

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随着功率半导体器件的服役环境越来越恶劣,以碳化硅（SiC）为代表的第三代半导体凭借其优异的高温性能成为行业应用主流。但目前尚缺乏与之相匹配的低成本、耐高温的互连材料,成为了制约行业发展的瓶颈。Cu-Sn全金属间化合物（IMC）因其成本低、导电性好且满足低温连接、高温服役的特点被认为是理想的SiC芯片互连材料之一。针对功率半导体器件封装,对国内外近年来Cu-Sn全IMC接头的制备方法和可靠性进行了分析和综述,并讨论了目前亟待解决的问题和未来的发展趋势。

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EconoDUAL封装、母线电压800 V的1 200 A IGBT功率模块设计与开发

回晓双, 宁圃奇, 范涛, 郭新华, 傅金源, 黄珂

电源学报. 2024, 22(3): 72-77. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.3.72

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提高车规级功率模块的功率密度对电动汽车的性能具有重要意义,而传统功率模块内部采用的二维布局杂散电感大,限制了开关速度与母线电压,影响功率密度的提高。为此,以 EconoDUAL 封装的IGBT功率模块为对象,使用叠层DBC的方法进行三维布局设计,开发出了1 200 V/1 200 A的IGBT功率模块;详细介绍了所提功率模块的布局结构,与传统二维布局方法相比,杂散电感下降了58%;同时,对功率模块进行电气性能测试,通过了母线电压800 V下脉冲电流为1 200 A的双脉冲实验,证明了模块功率密度的提高。为了在提高功率密度的情况下不影响散热性能,功率模块底部使用了水冷PinFin散热器,并对其进行了散热仿真和结-水热阻的测试,结果表明,IGBT热阻为0.084 K/W,二极管热阻为0.124 K/W,与同封装下商用1 200 V/900 A模块相比并无明显差异,证明了所提设计方法的正确性及有效性。

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车用碳化硅功率模块的电热性能优化与评估

马荣耀, 唐开锋, 潘效飞, 邵志峰, 孙鹏, 曾正

电源学报. 2024, 22(3): 78-86. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.3.78

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由于在开关速度、温度特性和耐压能力等方面的优势,SiC（silicon carbide）功率模块开始逐步应用于电动汽车的电机控制器。电机控制器是电动汽车的核心部件,对功率模块的电热特性要求较高,因此对SiC封装提出了很大的挑战。以主流的HybridPACK Drive模块封装为例,优化设计了模块的驱动回路和DBC（direct bonded copper）布局,并引入了铜线键合技术,协同优化了模块的电热性能和可靠性。此外,采用响应面法优化了椭圆形Pin-Fin散热基板,提升了模块的散热性能。最后,分别制造了优化前、后的SiC功率模块样机作为对比,搭建了双脉冲和功率对拖实验平台,评估了2种方案的电热性能。实验结果显示,当芯片交错距离为芯片宽度的1/2时,所优化的功率模块可以在兼顾电性能的同时,实现更优异的热性能。

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基于3D封装的低感双向开关SiC功率模块研究

王思媛, 梁钰茜, 孙鹏, 邹铭锐, 龚佳坤, 曾正

电源学报. 2024, 22(3): 87-92. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.3.87

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双向开关在固态断路器、光伏逆变器等领域具有不可替代的作用,而低损耗、高开关频率的双向开关SiC功率模块得到了越来越多的关注。然而,现有双向开关SiC功率模块仍然沿用传统Si功率模块的封装方法,难以适应SiC器件的高速开关优势。针对双向开关SiC功率模块的低感封装需求,提出一种芯片堆叠的3D封装集成方法。给出了3D封装的电路拓扑和几何结构,分析3D封装的换流回路和寄生电感规律,设计3D封装的技术工艺,并研制了双向开关SiC功率模块样机。采用双脉冲测试的实验结果验证了所提3D封装双向开关SiC功率模块的可行性和有效性。

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采用大芯片的高功率密度SiC功率模块设计

李东润, 宁圃奇, 康玉慧, 范涛, 雷光寅, 史文华

电源学报. 2024, 22(3): 93-99. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.3.93

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碳化硅SiC（silicon carbide）器件具备耐高压、低损耗和高热导率等优势,对电动汽车行业发展具有重要意义。提出一种利用大芯片封装的SiC MOSFET功率模块设计,并开展实验分析模块的电气性能;搭建仿真对仅有电特性与电特性和温度负反馈结合这2种情况下模块温度进行对比研究。仿真结果表明,在相同工作条件下,采用大芯片封装设计的SiC MOSFET功率模块导通电流能力更强,温度变化更小,电气性能有所提升。

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双面散热SiC功率模块温度均匀性和开关特性评估

廖淑华, 周锦源, 李敏, 雷光寅

电源学报. 2024, 22(3): 100-110. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.3.100

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碳化硅MOSFET因其材料特性被广泛应用于新能源汽车的高压、高频和高功率密度场合。在考虑双面水冷散热过程,往往忽略芯片布局间距对于散热以及芯片温度均匀性的影响,未考虑芯片温度均匀性对于多芯片并联电流均匀性的影响。针对上述问题,设计一种双面水冷的封装结构,分析不同芯片布局间距对芯片温度均匀性的影响,分析不同结温及不同芯片布局对寄生参数及开关特性的影响,并针对不同芯片布局间距和不同液冷工况,采用大量仿真及响应面对比分析,验证了所提方法的有效性,为SiC功率模块封装对芯片温度均匀性及开关特性的影响提供技术方法指导和定量分析。

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基于神经网络同步学习的功率模块散热器拓扑优化快速迭代方法

朱高嘉, 何函宇, 李龙女, 朱建国, 梅云辉

电源学报. 2024, 22(3): 111-117. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.3.111

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随着功率模块集成化程度的提高,其散热结构优化已成为研发中的关键。拓扑优化可通过变换散热器形貌、结构来最大化地提升散热效果,因此受到了广泛关注。但在拓扑优化过程中,每步迭代均需要计算模块与散热器温度分布,占用较庞大的计算资源和计算时间。为加速传统散热器拓扑优化进程,在基于传统固体各向同性材料惩罚SIMP（solid isotropic material with penalization）散热器拓扑优化方法的基础上,提出一种嵌套神经网络NN（neural network）同步学习的快速迭代方法。首先,构建散热器基于编码器-解码器结构的NN预测模型,即基于散热器形貌迭代进化过程实现优化结构的快速预测;其次,将NN模型与散热器SIMP拓扑优化流程相嵌套,利用迭代过程中的中间形貌同步训练NN;最后,针对单芯片、两芯片模块结构,对比所提方法与传统迭代方法的拓扑优化结果,验证了所提NN同步学习方法的准确性和快速性。

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功率模块主动热控制技术研究综述

皇甫宜耿, 宋少林, 王晓鹏, 李凡, 甘子瑜

电源学报. 2024, 22(3): 118-126. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.3.118

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功率半导体器件是基于电力电子技术的电能变换、电力驱动等领域的核心,在新能源发电、交通运输以及航空航天等领域有广阔的应用前景,然而其发热原因造成的退化失效和可靠性等问题已成为其进一步发展的瓶颈,亟需探究有效的热管理方法,以提高其可靠性和使用寿命。在介绍功率模块的热管理方法的基础上,重点综述了其主动热管理方法的研究进展。依据控制参量的不同将其分为器件级、系统级和多参量的综合方法,并对各种方法进行了分析比对总结。最后提出了功率器件结温相关技术的发展趋势,进行了展望,以期为其后续研究应用提供参考。

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基于导通压降的大容量IGBT模块结温观测与误差分析研究

肖凯, 王振, 严喜林, 李文骁, 胡剑生, 刘平

电源学报. 2024, 22(3): 127-137. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.3.127

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压接式绝缘栅双极性晶体管PP-IGBT（press-pack insulated gate bipolar transistor）模块因其优越的电气性能和可靠性,广泛应用于柔性直流换流阀等大功率应用场景。IGBT芯片结温的准确观测对于其运行状态的监测与剩余寿命的评估都非常重要。已有结温观测方法多是针对键合引线式IGBT,未考虑到压接式模块的特性,无法直接应用。首先,针对大容量换流阀中的压接式IGBT,提出了一种实用的模块导通压降与结温标定方法,并对结温在线估计的误差进行了全面分析。然后,基于ABB公司5SNA 3000K452300压接式IGBT模块（4 500 V,3 000 A）设计了结温标定方案,包括实验电路、温度标定范围选择、结温控制方式、测量电路及标定实验步骤。最后,基于脉冲测试平台,对所提方法进行了验证。实验结果表明,所提结温标定与观测方案有效,结温观测误差在±5 ℃以内,且能适用压接式IGBT模块存在差异的情况。

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SiC MOSFET驱动特性及器件国产化后的影响分析

姚常智, 张昊东, 申宏伟, 王建军

电源学报. 2024, 22(3): 138-145. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.3.138

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碳化硅金属氧化物半导体场效应晶体管SiC MOSFET（silicon carbide metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）作为一种新型、广泛应用的开关器件,在实际应用中具有更快的开关速度和更低的器件损耗,可以提高变换器的效率,体现更好的性能。针对SiC MOSFET驱动特性,分析寄生参数对其的影响;搭建双脉冲实验平台,分析栅源电压与SiC MOSFET导通时间的关系;针对现有国产SiC MOSFET存在的不足之处,基于搭建的实验平台及其他电源产品,对SiC MOSFET进行国产化器件替代后导通时间、驱动损耗及负压幅值变化的相关分析。

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NPC三电平IGBT模块驱动电路设计及动态特性测试

于浪浪, 李贺龙, 殷千辰, 韩亮亮

电源学报. 2024, 22(3): 146-155. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.3.146

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二极管中点钳位NPC（neutral point clamped）三电平逆变器具备较低的开关应力、谐波分量和较好的抗干扰能力,促使其成为光伏、储能等新能源领域DC-AC变换器的主要拓扑之一。针对大功率应用场景中普遍采用的NPC三电平IGBT功率半导体模块开展研究,分析NPC三电平功率模块的换流回路,并据此给出对应换流回路的寄生参数精准仿真评估方法。依据换流回路寄生参数最小原则,设计适用于NPC三电平功率半导体模块的动态特性测试电路。根据换流回路以及电路工作原理,设计NPC三电平功率模块的驱动电路,并给出增强驱动电流、防直通及死区时间可调的驱动方案。最后,通过对NPC三电平IGBT模块的动态测试,详细评估了不同工况下功率器件的动态损耗。

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混合工作模态的高功率因数无桥Buck PFC变换器

陈正格, 苗舒曼, 周琛力, 许建平

电源学报. 2024, 22(3): 156-164. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.3.156

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AC-DC降压型功率因数校正PFC（power factor correction）变换器广泛应用于低压场合,为解决该类拓扑因输入电流死区导致功率因数PF（power factor）低、输入电流总谐波THDi（total harmonic distortions of input current）高的问题,首先引入Buck-Boost单元以构建1种高PF的混合工作模态降压型无桥PFC变换器,其在正、负半个工频周期分别工作在Buck和Buck-Boost模式。虽然Buck-Boost单元效率低于Buck单元,但所提变换器在负半工频周期运行于Buck-Boost模式,可以避免输入电流死区以提高PF并降低THDi。在正半工频周期运行于Buck模式,变换器仍保留Buck单元的高效率优势。其次,通过分析所提无桥变换器工作模态与PF值来证明变换器的高PF特性。最后,通过仿真实验,验证所提变换器的可行性和理论分析的正确性,并比较所提变换器与传统Buck PFC变换器的性能。

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一种具有高容错能力的改进型LLC拓扑及其控制策略

陈庆华, 吴克, 邱荣禄, 王涵宇, 马铭遥

电源学报. 2024, 22(3): 165-171. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.3.165

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LLC谐振变换器因其功率密度高、效率高和体积小等优点被广泛应用于车载电源中,其可靠的运行能力对行驶安全和乘用体验十分关键。然而,车辆运行的复杂工况和严苛环境对功率器件的冲击巨大,一旦出现开关管故障则谐振变换器无法在保证输出电压不变的同时运行在谐振点附近,系统的效率和输出能力均大幅下降。为使变换器具有故障容错能力,提出一种改进型LLC拓扑及相应控制策略,可在开关发生故障后保证输出电压不受影响且变换器工作在谐振频率附近。此外,针对容错瞬态过程中谐振电容电压尖峰较大的问题,设计一种优化的Burst控制策略对其进行抑制,保证容错过程的平滑,仿真实验结果验证了所提方法的有效性。

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基于高斯过程回归的永磁同步电机非线性磁链辨识

刘忠永, 范涛, 何国林, 温旭辉

电源学报. 2024, 22(3): 172-181. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.3.172

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在新能源汽车发展领域,以碳化硅为代表的新一代半导体功率器件正在逐步取代硅基IGBT,崭新的技术生态对电机控制性能也有了更高的要求。从传统的PI控制、直接转矩控制到模型预测控制、神经网络控制等新算法,电机参数的精准度逐渐成为电控系统进一步提升性能的关键因素。针对永磁同步电机经典线性模型受交叉饱和等非线性因素影响不能适用于复杂多变工况的问题,提出基于高斯过程回归的非线性磁链辨识方法,使用二阶广义积分器获取动态工况中的磁链数据完成系统辨识,通过仿真与实验验证了该方案的有效性及参数辨识的准确性。

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具有软启动功能的EMI直流滤波器设计

王盼, 徐虎, 袁雷, 徐岸非

电源学报. 2024, 22(3): 182-189. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.3.182

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宽禁带半导体器件的应用使电动汽车的电机驱动系统更加小型化和轻量化,但也引发了更为严重的电磁干扰,使得驱动系统的可靠性面临严峻挑战。为此,以24 V/2 A的EMI直流滤波器为例,通过噪声源、滤波器原理及阻抗影响的分析,依据插入损耗指标进行滤波器参数设计。同时,考虑到整车启动时刻的启动冲击,加入软启动电路,进一步提高电动汽车驱动系统可靠性。实验测试验证了滤波器的电磁干扰抑制效果和软启动性能,证明了滤波器设计的可行性和有效性。

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SiC功率模块引线键合参数优化与可靠性分析

李乐洲, 兰欣, 何志伟, 程勇

电源学报. 2024, 22(3): 190-198. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.3.190

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在汽车电力电子器件开发技术中,功率模块正朝着小型化和高功率密度方向发展,而汽车动力装置的高频通断操作会增加键合线的疲劳失效风险。为了提高键合强度及可靠性,首先从键合原理角度出发,揭示键合参数在不同阶段的作用机理,利用单因素实验得到各参数的优化区间;然后通过数值计算与老化实验相结合的方法系统性研究了键合线材料对键合可靠性的影响。结果显示,Cu键合线的最高温度、最大等效应力均高于Al键合线,但受材料属性影响,Cu键合线的最大塑性应变仅为Al键合线的1/2,根据功率循环实验,其寿命约为Al键合线的4倍,并且Cu线键合质量分散性大,单根键合线脱落引起监测信号阶段性跃升的现象可以成为日常工作中的失效预警信号。

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压接式IGBT健康管理方法综述

肖凯, 王振, 严喜林, 刘叶春, 胡剑生, 刘平

电源学报. 2024, 22(3): 199-210. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.3.199

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压接式IGBT功率器件是新型电力系统应用装备中的核心部件,对其健康管理可提升IGBT使用寿命与运行可靠性,保障新型电力系统的安全稳定。首先介绍压接式IGBT器件的封装结构和主要失效模式;其次以特征参数类型的不同,对现有健康状态监测方法进行分类阐述和分析;然后归纳现有压接式IGBT寿命预测方法的原理和特点;最后对现有的健康管理技术进行综合对比分析,并指出压接式IGBT健康管理方法需要进一步研究的问题和未来发展趋势。

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动态高温反偏应力下的SiC MOSFET测试平台及其退化机理研究

左璐巍, 辛振, 蒙慧, 周泽, 余彬, 罗皓泽

电源学报. 2024, 22(3): 211-219. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.3.211

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为研究SiC MOSFET在动态漏源应力下的退化机理,开发了一种具有dV_ds/dt可调功能、最高可达80 V/ns的动态反向偏置测试平台。针对商用SiC MOSFET进行动态高温反偏实验,讨论高电压变化率的动态漏源应力对SiC MOSFET电学特性的影响。实验结果显示,器件的阈值电压和体二极管正向导通电压增加,说明器件JFET区上方的栅氧层和体二极管可能发生了退化。通过Sentaurus TCAD分析了在高漏源电压及高电压变化率下平面栅型SiC MOSFET的薄弱位置,在栅氧层交界处和体二极管区域设置了空穴陷阱,模拟动态高温反偏对SiC MOSFET动静态参数的影响。

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雪崩晶体管电压斜坡触发模式下终端失效机理研究

温凯俊, 梁琳, 陈晗

电源学报. 2024, 22(3): 220-226. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.3.220

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随着超宽带脉冲信号系统在新能源汽车智能化感知技术等许多重要领域的应用,高幅值、快前沿脉冲源的研发得到了广泛研究。针对纳秒级前沿脉冲对超快功率半导体开关的需求,进行了雪崩晶体管在电压斜坡触发模式下终端失效机理的研究。利用仿真模型的静态特性与器件样品进行对比分析,测试了器件样品的动态开通特性。在成功得到纳秒级开通速度器件的基础上,对器件在电压斜坡触发模式下出现的失效现象进行了分析。

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压接式IGBT寿命评估软件开发与案例分析

肖凯, 王振, 严喜林, 刘叶春, 胡剑生, 刘平

电源学报. 2024, 22(3): 227-235. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.3.227

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压接式IGBT功率器件是新型电力系统应用装备中的核心部件之一。由于电力设备工作环境复杂,工况多变,长期作用下会导致功率器件发生疲劳失效。为保证电力系统关键设备的安全稳定运行,需要对压接式IGBT器件的剩余寿命进行评估,从而在器件发生失效前及时进行相应的处理。首先通过建立压接式IGBT器件多物理场模型分析影响器件老化进程的力学参数;然后,基于分析结果,在现有寿命预测模型中选取适合于压接式IGBT的模型,并开发适用于压接式IGBT的寿命评估软件;最后用寿命评估软件进行案例分析,得到器件的寿命评估结果,对器件的应用提供了指导。

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基于改进SqueezeNet算法的VBE设备电路板元件失效识别研究

刘隆晨, 杨玥坪, 贾志杰, 黄宇, 唐世雄, 谭博洋

电源学报. 2024, 22(3): 236-247. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.3.236

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在直流输电系统中,换流阀阀基电子VBE（valve base electronics）设备的稳定运作对维护直流系统安全至关重要。传统的阀基电子设备电路板（VBE板）元件失效检测方法依赖于耗时的人工检查或基于规则的自动化系统,这些方法通常检测效率低下且准确性有限。针对该问题,提出一种基于改进的SqueezeNet深度学习模型的VBE板元件失效区域识别方法。通过引入深度可分离卷积和残差连接,所提改进SqueezeNet模型旨在提高元件失效检测的准确性,同时降低计算资源的需求。在VBE板元件失效数据集上的实验结果表明,所提方法在元件失效检测准确率和运算效率方面均优于传统方法和标准SqueezeNet模型,准确率达到了95.27%,比原模型高出4.45%。不仅提升了VBE板元件失效检测的效率和准确性,而且为电力系统中类似设备的元件失效诊断提供了新的技术参考。

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基于栅极参考电压的SiC MOSFET栅极氧化物健康状态在线监测方法

于圣旭, 王智强, 辛国庆, 时晓洁, 谭令其, 马凯

电源学报. 2024, 22(3): 248-257. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.3.248

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栅极氧化物退化是限制SiC MOSFET进一步广泛应用的关键可靠性问题。在线监测能够实时获取栅极氧化物健康状态,是提升SiC MOSFET可靠性的重要手段,因此提出一种基于栅极参考电压的SiC MOSFET栅极氧化物健康状态在线监测方法,并详细介绍了利用栅极参考电压监测栅极氧化物健康状态的基本原理;提出一种栅极参考电压在线提取电路,经脉冲测试验证可以实现在线提取,经老化试验验证可以有效监测栅极氧化物健康状态。所提电路可以集成在栅极驱动中,不会显著增加系统复杂程度。

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漏源电压对SiC MOSFET阈值电压准确测量影响的研究

姚博均, 郭春生, 崔绍雄, 李嘉芃, 张亚民

电源学报. 2024, 22(3): 258-263. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.3.258

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相较于Si器件,SiC MOSFET近界面氧化物陷阱区域更广,界面态陷阱密度高出2个数量级,大量陷阱不断俘获或释放电荷,导致阈值电压（V_th）随时间波动较大,因而V_th的准确重复测量成为难题。标准中阈值电压测量采用预处理的方法,保证每次测量时陷阱电荷状态的一致性,但标准中未考虑漏源电压影响预处理填充后的陷阱状态,导致阈值电压测试误差。针对该问题,首先通过测量不同漏源电压脉冲影响下的转移曲线,显示不同源漏电压对阈值电压的影响;然后,基于瞬态电流法分析了漏源电压对陷阱电荷状态的影响;进而,分析了漏源电压影响陷阱的机理;最后对比了不同漏源电压对阈值电压测量的影响。实验表明,漏源电压影响栅漏间电场正负,进而影响陷阱填充或释放电荷,导致阈值电压漂移。测量阈值电压时使用较小漏源电压可提高测量准确性,减小可靠性实验由测试因素造成的误差。

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PCB罗氏线圈电流传感器积分误差的数字补偿策略

姚宇, 周泽, 石亚飞, 辛振

电源学报. 2024, 22(3): 264-271. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.3.264

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准确可靠的开关电流信息是电力电子变换器实现闭环控制、谐波抑制和短路保护的关键要素,有利于进一步提升功率器件的可靠性。PCB罗氏线圈电流传感器因其高带宽、小体积、低成本和低侵扰的特点,具有重要的研究价值和应用前景。然而,传统积分处理电路存在漂移误差与下垂误差,严重限制了PCB罗氏线圈电流传感器的测量精度。首先,本文采用复位型积分电路以避免漂移误差的持续累积,并消除下垂误差带来的影响。同时,针对复位型积分电路存在的漂移误差与偏置误差提出一种数字补偿策略,该方案采用数字信号处理器控制数模转化模块产生模拟补偿信号,并通过高速减法器消除误差,具有补偿精度高、调整方式简单的优点,可以大幅减小积分误差造成的影响;最后,基于双脉冲测试平台分别进行双脉冲、多脉冲和短路保护实验,验证了所提PCB罗氏线圈电流传感器的性能。

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基于点模式匹配的直流输电VBE设备电路板缺陷检测方法

刘隆晨, 杨玥坪, 陈少卿, 张鹏, 曹运龙, 余人

电源学报. 2024, 22(3): 272-280. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.3.272

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随着特高压直流输电技术飞速发展,换流阀阀基电子VBE（valve base electronics）设备的稳定性对于保障直流输电的可靠性和效率至关重要。VBE设备电路板缺陷,如短路和失效元件,直接影响直流系统稳定性,而现有的检测方法,包括人工显微镜检查和自动检测算法,常受限于效率低和准确性不足。针对该问题,提出一种基于点模式匹配的自动视觉检测方法,通过生成代表关键区域的点模式并进行匹配来提高检测的效率和准确率。通过实验验证,所提方法在检测速度和准确性方面相较于传统方法有显著提升,适合于生产线上的快速质量控制,为提高直流输电设备的质量提供了有效的技术方案。

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多电平三相电压源逆变器结构优化设计

胡文平, 杨少波, 郭力, 王磊, 闫鹏

电源学报. 2024, 22(3): 281-286. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.3.281

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目前多电平三相电压源逆变器被广泛应用于高压、大功率电子设备中,为解决传统三相电压源逆变器运行中出现的直流侧电容电压失衡问题,基于空间矢量调制开关直流电源对逆变器结构进行优化设计。建立多电平三相电压源逆变器等效模型,利用60°坐标的空间矢量调制算法实现空间矢量调制,利用电容电压平衡算法充分考虑不同矢量间的切换顺序,实现电容电流平衡。实验结果表明,对比传统方法,该方法调制多电平三相电压源逆变器输出线电压波形畸变率为0.18%,电容点电压波动可控制在3 V以内,优于对比方法,具有更好的应用性能。

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适用于HVDC和HVAC高效稳定互联的MMC双端口电网形成控制

薛国清, 贵献国, 李雄

电源学报. 2024, 22(3): 287-297. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.3.287

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针对不同类型电网互联时互联电力变换器IPC（interconnecting power converter）控制模式复杂、控制难度大等问题,提出一种用于互联多个高压直流和高压交流子电网的IPC新型电网形成GFM（grid-forming）控制方法。该方法利用模块化多电平变换器MMC（modular multilevel converter）同时控制其AC和DC端电压,并提出2个双端口GFM MMC控制策略。针对单端口GFM控制和所提双端口GFM控制进行仿真对比,结果表明,与单端口GFM控制相比,双端口GFM控制方法对突发事件（如线路和发电机停运等）的处理更具弹性,且不需为电网中的IPC端口选择GFM或电网跟随GFL（grid-following）的控制方式。

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计及不可调度DG的孤岛串级交流微电网功率控制方法

王一妹, 李俊领, 曾杰, 许中平

电源学报. 2024, 22(3): 298-306. https://doi.org/10.13234/j.issn.2095-2805.2024.3.298

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针对由可调度和不可调度分布式电源DG（distributed generation）组成的串级孤岛微电网MGs（microgrids）功率控制机理复杂、电压和频率调节难度大等问题,提出了一种新型分散主从功率分配控制方法,以实现含二类DG串级孤岛微电网的电压、频率调节以及功率分配。该方法分别设计了主DG和从DG的控制方法,其中,主DG负责调节微电网的频率和电压,从属DG的MPPT可在一定母线电压下运行,其可最大限度地利用不可调度DG的输出功率,在轻负荷条件下可采用自动功率削减,并有效保障系统的安全稳定性。最后,通过仿真和实验验证了所提方法的有效性。

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2024年, 第22卷, 第3期　刊出日期：2024-05-30

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