抢鲜看｜《电工技术学报》2021年第12期目次及摘要
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《电工技术学报》是中国电工技术学会主办的电气工程领域综合性学术期刊，报道基础理论研究、工程应用等方面具有国际和国内领先水平的学术及科研成果。中国工程院院士马伟明任《学报》编委会主任，兼《学报》主编。
先进功率半导体器件及其封装、集成与应用专题
先进功率半导体器件及其封装、集成与应用专题特约主编寄语
作者：王来利 教授
考虑寄生振荡的IGBT分段暂态模型对电磁干扰预测的影响分析
作者：黄华震；仝涵；王宁燕；卢铁兵
摘要：绝缘栅双极型晶体管（IGBT）开关过程的di/dt和du/dt是影响换流器电磁干扰（EMI）水平的主要因素。IGBT的寄生振荡是高频EMI的重要组成部分,振荡频点处会出现EMI峰值。该文提出一种考虑寄生振荡的IGBT分段暂态模型,分析回路寄生参数和器件非线性电容对开关特性的影响,分别计算不同阶段的电流和电压变化率。搭建二极管钳位感性负载测试平台,获取IGBT的电流和电压波形,分析对比分段模型和实际波形的频谱特性。最后,通过实验验证了模型中的振荡过程是影响电流频谱特性的关键,且采用器件电容Cgc的三段等效模型可以显著提高电压频谱预测的准确度。该文提出的模型提高了IGBT干扰源频谱的预测准确度,可用于评估实际换流器发射的EMI水平。
SiC MOSFET串联短路动态特性
作者：张经纬；张甜；冯源；宋明轩；谭国俊
摘要：在电力电子系统中,因器件击穿、硬件电路缺陷或系统控制失误导致碳化硅（SiC）金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）误开通时,桥臂电流回路中多个器件处于开通状态,形成串联短路故障。该文以SiC MOSFET半桥电路为研究对象,详细介绍SiC MOSFET串联短路的动态过程,理论分析负载电流、栅极驱动电压和结温温升对SiC MOSFET短路动态特性的影响规律,推导出SiC MOSFET分压模型,并采用仿真模型进行验证。实验基于1200V/80A SiC MOSFET测试平台验证电路参数对短路损耗和结温分布的影响。理论与实验结果表明,SiC MOSFET串联短路分压特性对电路参数具有较高敏感度,漏极电压与漏极电流不平衡动态变化会改变器件短路损耗,进而影响结温温升,造成串联短路SiC MOSFET不稳定变化。
计及芯片导通压降温变效应的功率模块三维温度场解析建模方法
作者：陈宇；周宇；罗皓泽；李武华；何湘宁
摘要：绝缘栅双极型晶体管（IGBT）功率模块在新能源汽车动力总成系统中应用广泛。高功率密度和极限工况运行的应用需求对IGBT模块的热可靠性设计提出严峻挑战。受芯片导通压降温变效应的影响,芯片表面电流密度呈现不均匀分布,导致传统的热建模方法无法准确地描述功率模块温度场分布,这给芯片过电流工况下的强健性评估带来困难。该文将功率模块连续域三维温度场模型与芯片有源区离散化一维电学模型进行联合,提出一种热-电场路耦合的功率模块三维温度场解析建模方法,实现片上温度场的准确描述,误差小于4.0%。进一步地,研究芯片的电流分布规律,发现正温度特性下电流集中在IGBT有源区边缘,这种非均匀分布特征对片上温度峰值有抑制作用,能有效提升功率模块的过电流能力。最后以型号SEMiX603GB12E4p模块为例,针对提出的解析建模方法进行了验证,仿真与实验结果均表明,该模型能够准确表征不同电流水平下IGBT模块的热特性,验证了该模型算法的准确性和有效性。
压接型IGBT芯片动态特性实验平台设计与实现
作者：彭程；李学宝；张冠柔；赵志斌；崔翔
摘要：压接型IGBT芯片在正常的运行工况下承受着电-热-力多物理量的综合作用,研究电-热-力影响下的IGBT芯片动态特性对于指导IGBT芯片建模以及规模化IGBT并联封装设计具有重要意义。为了全面获得电-热-力综合影响下压接型IGBT芯片的动态特性,该文结合双脉冲测试电路原理,研制出具备电-热-力灵活调节的压接型IGBT芯片动态特性实验平台。通过对动态特性实验平台关键问题进行有限元仿真计算,实现平台回路寄生电感、IGBT芯片表面压力分布及机械夹具温度分布的优化设计。在此基础上建立压接型IGBT芯片动态特性实验平台,对实验平台进行综合调试,结果表明,该文所设计的实验平台具有寄生电感小、IGBT芯片表面压力分布均衡及机械夹具各组件温度分布合理的特点,可以满足电-热-力综合影响因素下压接型IGBT芯片动态特性实验的需求。
基于主动栅极驱动的IGBT开关特性自调节控制
作者：凌亚涛；赵争鸣；姬世奇
摘要：常规驱动（CGD）对绝缘栅双极型晶体管（IGBT）开关特性的控制优化程度有限。当换流条件改变时,CGD方法也无法保证器件开关特性可以保持在最优状况,即缺乏自调节能力。学术界相应地提出主动栅极驱动（AGD）方法来实现对开关特性的自调节控制。但在实施自调节控制时,会遇到自调节控制稳定性、控制精度等方面的问题。该文在之前工作的基础上开展后续深入研究,针对这些问题,从理论上提出自调节控制时的3个关键设计点,并分别进行了实验验证,为AGD方法实施自调节控制提供了指导。该文综述已有驱动对IGBT关断峰值电压控制的缺陷,提出一种端电压峰值采样电路。将该采样电路与自调节控制结合,通过实验验证了直接控制端电压峰值的准确性,为更安全、更低损耗地关断IGBT打下了坚实基础。
基于GaN的高频Boost变换器优化设计
作者：王忠杰；王议锋；陈庆；陈博；王浩
摘要：该文围绕同步整流型Boost拓扑效率提升这一关键问题展开研究。作为Boost变换器三种工作模式之一,临界导通模式（BCM）下的Boost变换器可以实现主功率开关的零电压开通或谷底开通以及续流管的零电流关断,有助于提升变换器效率。此外,采用同步整流技术可进一步减小传统续流二极管的导通损耗。该文从BCM下的参数设计出发,重点研究变换器的死区时间配置方法。该方法理论上减小了内部体二极管的导通损耗,在输出电流较大的情况下,有助于进一步提升变换器效率。此外,还总结Boost变换器的主要损耗计算方法。最后,利用GaN功率开关器件,搭建一台额定功率为500W的实验样机,其峰值效率达到了98%,功率密度达到了96W/in3（1in3=1.638 71×10-5m3）。实现了高效、高功率密度的设计目标,验证了理论分析的正确性。
压接型IGBT器件封装退化监测方法综述
作者：李辉；刘人宽；王晓；姚然；赖伟
摘要：压接型IGBT器件是智能电网中大容量电力电子装备的基础核心器件,其可靠性直接关系到装备及电网的运行安全,而封装失效是其主要失效模式,封装退化监测是实现其故障诊断、状态预测及智能运维的关键。针对现有研究大多侧重于传统焊接型IGBT器件封装退化监测的问题,该文以压接型IGBT器件为研究对象,首先,介绍压接型IGBT器件封装结构;然后,系统分析微动磨损失效、栅氧化层失效、接触面微烧蚀失效、边界翘曲失效、弹簧失效、短路失效、开路失效共七种封装失效模式及对应的封装退化监测方法,并提出现有监测方法存在的问题;最后,从封装退化表征及评估、非接触式监测、高灵敏度监测三个方面,展望压接型IGBT器件封装退化监测新思路。
基于内置温度传感器的碳化硅功率模块结温在线提取方法
作者：刘平；李海鹏；苗轶如；陈常乐；黄守道
摘要：碳化硅（SiC）MOSFET具有耐压高、开关速度快、导通损耗低等优点,将越来越广泛地应用于高效、高功率密度场合。在这些应用场合中,SiC MOSFET面临着严峻的可靠性考验,而结温的在线准确提取是实现器件寿命预测和可靠性评估的重要基础。该文提出一种基于功率模块内置负温度系数（NTC）温度传感器的器件结温在线提取方法。首先建立考虑多芯片热耦合效应的内置温度传感器至功率芯片的热网络模型,并建立SiC MOSFET的损耗快速计算方法;通过有限元仿真提取热网络模型的阻抗参数,并验证该热网络参数在不同边界条件下的稳定性。仿真和实验结果表明,所提出的结温在线估计方法能够准确地获得器件的动态结温,且热网络模型参数不受环境温度、散热条件等边界条件变化的影响,适用于实际任务剖面下的结温监测与寿命预测。
基于量化电压并行比较的IGBT状态监测保护电路
作者：黄先进；李鑫；刘宜鑫；王风川；高冠刚
摘要：在中高压、大容量电力电子变流系统中,大功率IGBT模块是变流器的核心器件,而驱动电路是影响IGBT模块及其组成的变流系统运行可靠性的关键因素。已有研究表明,对于IGBT模块的突发故障与老化失效,通过驱动电路进行状态监测与保护是目前能够对其实现故障诊断最快的方法。因此,该文提出一种基于量化电压并行比较的IGBT状态监测保护电路。首先,建立IGBT模块等效电路模型,分析模块内部寄生参数对饱和导通压降Vce(sat)、短路电流Isc、开通延迟时间tdon及门极峰值电流Igpeak等状态参数的影响,利用其在不同老化程度下的变化范围构建IGBT模块的全寿命安全工作区,为量化电压设定提供依据。其次,以Vce(sat)与tdon作为采集对象,设定特定阈值,对检测信号进行量化,根据比较电路的逻辑输出实时监测并辨别短路故障与老化程度,从而保护IGBT模块。最后,利用Pspice进行仿真分析,验证了该方法的正确性与可行性。
高压SiC器件封装用有机硅弹性体高温宽频介电特性分析
作者：刘东明；李学宝；顼佳宇；毛塬；赵志斌
摘要：有机硅弹性体因具有良好的绝缘性与耐高温的特性,广泛应用于高频、高压、高温工况下的SiC器件中。在宽频率、宽温度范围内,有机硅弹性体材料的介电性能对SiC器件内部电场分布产生极大影响,因此该文采用频域介电谱分析方法获得了宽频（10-2~107Hz）、宽温度（20~280℃）范围内的有机硅弹性体介电特性数据,掌握有机硅弹性体在不同频率、温度条件下的介电弛豫过程,在此基础上,采用改进Cole-Cole模型对有机硅弹性体的弛豫特性进行分析,获得温度对有机硅弹性体介电响应过程与介电特征参数的影响规律。研究结果表明,随频率上升,复介电常数实部明显下降并趋于稳定,复介电常数虚部呈现先下降后上升到达峰值的趋势。在高温低频条件（160℃以上,100Hz以下）下,有机硅弹性体材料出现明显的低频弥散现象,280℃下观测到了电荷扩散过程的出现;不同温度下Cole-Cole模型特征参数中直流电导率σdc、弛豫强度Δε 与低频弥散强度ξ 与温度的关系满足Arrhenius方程规律;高频介电常数ε∞ 随温度升高而降低,与温度近似呈线性变化;弛豫时间τ 在高温下随温度上升具有明显指数型下降趋势,其机理可利用双势阱模型描述。该文获得的有机硅弹性体宽频、宽温度范围内的介电特性可以为SiC器件封装绝缘设计提供数据支撑。
IGBT模块寿命评估研究综述
作者：张军；张犁；成瑜
摘要：绝缘栅双极型晶体管（IGBT）是电力电子系统实现电能变换与控制的核心组件之一。然而,工业界反馈的数据表明,应用于高可靠性场合的IGBT模块可靠性并不高,其热疲劳失效将会导致整个系统的非计划停机。对IGBT模块的预期使用寿命进行评估,将有助于指导电力电子装置的定期维修,降低经济损失。相关研究表明,IGBT模块的失效和温度关系密切,因此该文从热特性角度阐述IGBT模块的寿命评估。具体涉及热疲劳失效机理、热网络的建立与应用、热参数的辨识与监测、结温的估算及用于寿命预测的失效物理和解析模型五个方面。最后总结了现有研究存在的难点,并对IGBT模块的寿命评估研究发展方向进行了展望。
电工理论
仿生磁致伸缩触觉传感阵列设计与输出特性
作者：刘莎莎；王博文；黄文美；翁玲；高绍阳
摘要：受动物毛发的触觉机理启发,该文采用磁敏材料Galfenol细丝设计一种仿生磁致伸缩触觉传感单元。基于逆磁致伸缩效应、线性压磁方程和材料力学原理建立传感单元的输出特性模型,根据模型参数对传感单元进行结构优化以降低空间体积。在COMSOL中搭建传感阵列模型,分析阵列中磁场干扰对输出结果的影响。对3×3传感阵列进行输出特性测试,并将其装载于机械手上进行抓取实验。在H=1.6kA/m的偏置磁场下,传感单元在0~3N作用力下传感阵列输出电压呈线性变化,灵敏度为14.52mV/N,响应时间为30ms;在2N作用力下传感阵列的输出电压均值为96.94mV,灵敏度为48.47mV/N。实验结果表明,研制的传感阵列具有良好的稳定性与灵敏度,应用于机械手抓取物体时能够精确感知接触力信息。
全局优化算法在Preisach磁滞模型参数辨识问题中的应用与性能对比
作者：陈龙；易琼洋；贲彤；张泽宇；汪友华
摘要：Preisach模型参数的快速辨识对实现考虑磁滞特性的电工装备有限元计算具有重要意义。该文结合显式Everett函数Preisach磁滞模型,提出一种基于改进速度可控粒子群算法的Preisach模型参数辨识方法,并对比分析全局优化算法在该问题应用的效率问题。首先,为了解决传统离散型Preisach模型因存储庞大Everett矩阵造成的计算效率低下问题,构建Everett函数的参数化显式表达式;其次,提出一种基于改进速度可控粒子群算法的Preisach模型参数辨识方法,并基于测量的硅钢片准静态磁滞回线,实现模型的参数辨识;最后,对比分析模拟退火算法、遗传算法与该文所提算法在模型迭代次数与计算时间、磁滞回线模拟准确度、参数辨识成功率三个方面的应用效率。结果表明,该文所提出的改进速度可控粒子群算法在Preisach模型辨识上同时兼具辨识精度高、收敛速度快、成功率高的特点。
电机及其系统
基于浸入与不变理论的交流异步电机自适应位置跟踪控制
作者：刘乐；高杰；强嘉萍；丁素艳
摘要：为了提高交流异步电机在参数摄动和负载扰动下的位置跟踪控制性能,该文提出一种基于浸入与不变（I&I）理论的自适应控制方法。首先,通过构造非线性扩张状态观测器（NLESO）对系统的负载扰动进行动态观测,提高系统的跟踪控制精度;其次,基于I&I理论对系统的摄动参数设计自适应估计器,实现参数估计值渐近收敛到真实值;再次,基于I&I理论分别完成交流异步电机位置和磁链跟踪控制器的设计,实现对系统给定值的精确跟踪控制;最后,将该文所提方法与动态面控制（DSC）方法和I&I控制方法进行仿真及实验对比研究,结果验证了该文所提方法的有效性和可行性。
变频谐波对电机振动噪声特性的影响规律
作者：肖阳；宋金元；屈仁浩；蒋伟康
摘要：变频电机的振动噪声是影响电驱动产品应用的重要因素。为更准确掌握变频电机振动噪声激励,设计低噪声变频电机,该文建立变频电机振动噪声特性的一种分析模型,从变频机理出发,推导正弦脉宽调制（SPWM）变频器的输出谐波,再根据麦克斯韦定律计算分析变频激励下电机气隙的电磁激励力特性,并基于有限元法建立电磁-固-声多场耦合仿真计算模型,最后通过对比实测电机的声功率总结出变频谐波对变频电机振动噪声特性的影响。分析结果表明,电机振动噪声在低频部分的谐波由电机的调制频率产生,而变频器引入的高频谐波会使电机在开关频率附近辐射大量的噪声,因此,低噪声变频电机的设计必须消除或者削弱这些谐波。
电力电子
有源钳位单级隔离型AC-DC功率因数变换器
作者：张志；孟利伟；唐校；张兆云；谢小鲲
摘要：该文提出一种基于有源钳位技术的单级隔离型AC-DC功率因数校正变换器拓扑,该变换器具有升压和功率因数校正功能,且仅通过单级功率变换实现输入和输出电压的隔离。首先,详细分析该拓扑的工作原理;然后,通过合理设计谐振电感和电容参数,并结合有源钳位技术,降低开关管的电压应力,并实现主开关管和辅开关管的零电压开通和二次侧整流二极管零电流关断;最后,详细推导该变换器关键元器件的设计过程,并搭建开关频率为85kHz的基于SiC功率器件3kW实验样机,对所提拓扑工作原理的正确性和可行性进行实验验证。该变换器能工作于较宽的输入电压范围,具有元器件少、控制方法简单、功率因数高和能量转换效率高等优点。
考虑寄生电感的谐振开关电容变换器电压尖峰抑制
作者：刘妍；杨晓峰；闫成章；陈骞；温飘 等
摘要：基于碳化硅（SiC）器件的谐振开关电容变换器（RSCC）因其软开关特性,适用于高频、高功率密度的场合。但是较高的工作频率使其对线路寄生参数较敏感,易造成开关器件的电压尖峰问题。通过分析RSCC叠层母排模型,该文建立含有寄生电感的等效电路,研究寄生电感对电路运行模态的影响,并推导开关器件电压峰值与寄生电感之间的关系。在此基础上,提出优化叠层母排结构和吸收电容的电压尖峰抑制方案,仿真及实验结果验证了该文电压尖峰抑制方案的有效性和可行性。
高电压与放电
基于片晶滑移的水树结晶破坏机理
作者：陶霰韬；李化；方田；唐乐天；林福昌
摘要：该文研究水树对低密度聚乙烯（LDPE）结晶结构的破坏,并提出基于片晶滑移模型的结晶破坏机理。采用水针法对LDPE样品进行加速水树老化500h后,使用扫描电镜（SEM）观测到水树缺陷中的微通道呈现平行排布的形态,这种形态与机械应力导致聚乙烯片晶滑移破坏形成的缺陷结构相似。通过分析和计算,水树微通道前端的电-机械应力大于聚乙烯片晶滑移所需的临界应力,足以在水树生长过程中引发片晶滑移。片晶滑移导致微通道的形成,同时导致部分片晶的破坏从而形成更多的晶相界面,进而导致聚乙烯结晶度下降而中间相含量提高。使用拉曼光谱（RS）和差示热扫描（DSC）法对比分析有/无水树样品的结晶参数,结果表明,水树的生成导致LDPE的结晶度下降,无定形相的含量不变,而中间相含量明显提高。因此,该文认为电-机械应力导致的片晶滑移是水树对聚乙烯结晶相破坏的主要作用机制。
退役高压电缆附件绝缘状态及理化性能分析
作者：陈杰；吴世林；胡丽斌；任成燕；邵涛
摘要：为了探究长期服役对高压电缆附件老化状态的影响,研究退役电缆附件的绝缘特性及理化性能。以三元乙丙橡胶（EPDM）和硅橡胶（SIR）两种退役电缆附件绝缘为研究对象,测试其力学性能、微观结构及化学成分,测试并分析其介电性能和绝缘状态。结果表明,EPDM样品中C-O-C键的出现以及SIR样品分子链上有机基团的减少可作为电缆附件绝缘老化的标志,附件的绝缘老化在宏观上表现为力学特性的下降;经历老化或击穿事故的电缆附件,其分子链在电、热等综合作用下断裂成小分子,小分子可能重结晶,导致样品晶型及聚集状态的改变;经历严重老化的电缆附件,其介电性能发生明显劣化。样品理化性能及介电性能的改变可基本反映电缆附件的绝缘及老化状态。
机械应力对油浸绝缘纸板局部放电影响
作者：崔彦捷；汲胜昌；祝令瑜；刘志华；李熙宁
摘要：变压器中油纸绝缘材料在运行时承担着热、电、机等应力并在其作用下不断老化,然而关于机械应力下油纸绝缘材料的老化尚未引起足够重视。为研究机械应力下油纸绝缘材料性能演变规律,该文对油浸绝缘纸板进行不同机械应力下的老化实验,并对老化后的绝缘纸板进行力学性能测试、局部放电实验以及表面形态观测。研究结果表明,力学性能对绝缘纸板性能的影响以20MPa为界分为两部分。当机械应力低于20MPa时,纸板的弹性模量及剩余形变均较小,随着机械应力的升高,纸板绝缘性能有所提升;当机械应力高于20MPa时,纸板的弹性模量及剩余形变显著增大,随着机械应力的升高,纸板绝缘性能快速下降,纸板电极下局部放电模式也发生了变化。共聚焦显微镜观测结果表明,当机械应力高于20MPa后,绝缘纸板中的纤维由弹性变形转为塑性变形,纤维出现分岔、空洞及断裂,导致纸板的绝缘性能降低。该文研究结果为变压器中油纸绝缘材料在机械应力作用下老化规律的研究提供了基础,并有效地提升了判别变压器内部绝缘状态的能力。