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Advanced Power Module Packaging and Integration Structures for High Frequency Power Conversion:From Silicon to GaN

Fang LUO;Lin LIANG;David Huitink;Silke Spiesshoefer;Department of Electrical Engineering,University of Arkansas;State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology,School of Electrical and Electronic Engineering,Huazhong University of Science and Technology;Department of Mechanical Engineering,University of Arkansas;

摘要: The emerging of commercial high-voltage gallium nitride(GaN) power devices provides extraordinary switching performance over silicone devices, which enables high-voltage power conversion switching at megahertz range.Such outstanding features also pose strong challenges for device packaging design since the package parasitics can significantly influence the device switching characteristics, and thus can shadow the advantages brought by GaN devices. Designers have been dealing with these challenges brought by high du/dt and high-frequency switching operation even since the silicon(Si) era when fast switching Si MOSFET is first developed and came up with lots of inspiring advanced power module packaging structures to mitigate the problems.This paper presents a review of advanced power module packaging and integration structures that are suitable for high frequency power conversion.The review covers the heritage from the high frequency Si MOSFET packaging to the state-of-the-art for GaN devices.

  • 激光跟踪仪伺服驱动的在线死区补偿技术

    作者:张明玉;董登峰;程智;周维虎; 期刊:《电力电子技术》 2018年12期

    国家自然科学基金(61675211; ;61575209)~~; ;为改善激光跟踪仪工作在轻载环境下其伺服驱动的死区效应,此处分析了死区效应的产生机理,研究了由控制死区引起的电压损失并设计了相应的在线死区补偿算法。通过对由死区效应产生的三相电压扰动量进行坐标变换,转换到二维旋转坐标系下,使扰动电压矢量不再与三相电流极性有关,同时通过在线修改死区时间,使得扰动电压矢量和旋转坐标系下的转矩电流和磁链电流成比例变化,从而使得扰动电压矢量不再是几个离散矢量,而是随着电流矢量连续同步旋转。该方法避免了检测相电流的极性,在线实时补偿死区效应的影响,实验显示相电流波形畸变得到明显改善,其波形基本为规整的正弦波,补偿后电流环闭环控制精度在其他控制参数相同的条件下达到0.75%。提高了电机的控制性能,从而保障了激光跟踪仪的测量精度及跟踪性能。
    关键词:激光跟踪仪;死区效应;转矩电流;磁链电流;
    基金:国家自然科学基金(61675211; ;61575209)~~; ;

    参考文献:
    [1]变频器逆变单元控制死区时间补偿的新方法[J]. 张俊敏. 电气应用. 2010(20)
    [2]一种新颖的基于死区时间在线调整的SVPWM补偿算法[J]. 何正义,季学武,瞿文龙. 电工技术学报. 2009(06)
    [3]变频器逆变单元控制死区时间的补偿[J]. 郑志波,刘开培,陈华,陈勇强. 电气传动. 2005(11)

    激光跟踪仪死区效应转矩电流磁链电流

  • UPFC用TBS阀在线状态检测方法研究

    作者:樊宏伟;沈培锋;郭有强;王佳佳; 期刊:《电力电子技术》 2018年12期

    国网江苏省电力公司重点科技项目(J2017073)~~; ;在分析统一潮流控制器(UPFC)中晶闸管旁路开关(TBS)阀基本工作原理和结构组成的基础上,对TBS控制原理进行分析,提出了一种UPFC用TBS阀组晶闸管级在线状态检测方法。研究了现有TBS控制系统,对检测方法中的关键检测原理进行了详细分析。建立了TBS阀组晶闸管级仿真模型,研究了TBS晶闸管级临界触发条件下的回路响应和正向回检信号响应,最后通过仿真和试验对在线检测方法的可行性和合理性进行验证。研究结果可为TBS阀组的在线状态检测方法提供参考。
    关键词:统一潮流控制器;晶闸管旁路开关阀;在线检测;
    基金:国网江苏省电力公司重点科技项目(J2017073)~~; ;

    参考文献:
    [1]直流输电全景巡检换流阀非周期触发试验研究[J]. 范彩云,黄永瑞,李凯,徐鹏. 电力电子技术. 2018(02)
    [2]统一潮流控制器在苏南500kV电网中的应用[J]. 李鹏,林金娇,孔祥平. 电力工程技术. 2017(01)
    [3]统一潮流控制器在南京西环网的应用[J]. 蔡晖,祁万春,黄俊辉,谢珍建,汪惟源. 电力建设. 2015(08)

    统一潮流控制器晶闸管旁路开关阀在线检测

  • 饱和电抗器参数对晶闸管过电压影响研究

    作者:刘磊;张翔;孙健;方太勋; 期刊:《电力电子技术》 2018年12期

    为研究换流阀饱和电抗器参数对晶闸管过电压影响需搭建换流阀整体仿真模型。基于饱和电抗器结构搭建了其等效模型,再结合端间脉冲电压仿真与实验波形验证等效模型的准确性;研究并给出晶闸管单级宽频等效模型与换流阀阀塔分布电容网络,通过所搭建的换流阀整体模型仿真研究了冲击电压下晶闸管承受过电压情况,给出不同工况时晶闸管电压工作曲线,验证换流阀参数设计的合理性;研究陡波冲击实验时饱和电抗器各参数变化对晶闸管承受过电压的影响,给出饱和电抗器参数设计时重要的参考依据。结果表明换流阀及饱和电抗器参数设计合理,不同冲击电压时晶闸管均工作在安全电压范围内。
    关键词:饱和电抗器;晶闸管过电压;宽频等效模型;

    参考文献:
    [1]±800kV/4750A特高压直流换流阀宽频建模及电压分布特性研究[J]. 张文亮,汤广福. 中国电机工程学报. 2010(31)
    [2]高压直流换流阀过电压分布及其影响因素分析[J]. 孙海峰,崔翔,齐磊,王琦,黎小林. 中国电机工程学报. 2010(22)

    饱和电抗器晶闸管过电压宽频等效模型

  • 基于滑模策略的对转电机直接转矩控制

    作者:张其松;黄守道;罗德荣;钟义长; 期刊:《电力电子技术》 2018年12期

    国家自然科学基金(51577052)~~; ;针对对转永磁同步电机(PMSM)在采用直接转矩控制方式下定子磁链和转矩脉动较大的问题,提出一种改进的直接转矩控制方法,将滑模控制与直接转矩控制相结合,以定子磁链和电磁转矩为滑模面设计滑模控制器。利用Matlab软件对改进前后的对转PMSM直接转矩控制系统进行对比仿真研究。对比实验结果,改进的控制方法有效解决了定子磁链和转矩脉动较大的问题,同时兼具较快的系统响应速度。
    关键词:永磁同步电机;滑模控制;直接转矩控制;
    基金:国家自然科学基金(51577052)~~; ;

    参考文献:
    [1]基于改进滑模策略永磁同步电机SVM-DTC控制[J]. 孙运全,罗青松,刘恩杰. 电子器件. 2016(06)
    [2]基于滑模策略的直接转矩控制研究[J]. 苑伟华,潘峰,路瑶. 电气传动. 2015(08)
    [3]对转永磁同步电机直接转矩控制[J]. 姜燕,黄钟,成双银,黄守道. 电工技术学报. 2015(10)
    [4]对转永磁同步电机直接转矩控制方法[J]. 罗德荣,邹勇波,黄守道,成双银,孔永强. 控制理论与应用. 2015(02)
    [5]对转永磁同步推进电动机的矢量控制[J]. 徐海珠,谢顺依,张林森,连军强. 微特电机. 2011(10)
    [6]永磁同步电机滑模变结构直接转矩控制[J]. 贾洪平,贺益康. 电工技术学报. 2006(01)
    [1]现代永磁同步电机控制原理及MATLAB仿真[M]. 北京航空航天大学出版社 , 袁雷, 2016

    永磁同步电机滑模控制直接转矩控制

  • 统一潮流控制器的紧凑型换流器设计研究

    作者:李婧;李植鹏;赵东元;王轩; 期刊:《电力电子技术》 2018年12期

    分析了特大型城市电网的需求,指出统一潮流控制器(UPFC)是优化电网潮流分布、有效提高通道利用效率及电网稳定性的有效举措。特大型城市电网更需要功率密度高、结构紧凑的电力电子换流器设计。通过串联型换流器与模块化多电平换流器(MMC)在拓扑、谐波和损耗水平、工程应用中的数据对比说明,前者结构更为紧凑,后者在谐波及损耗上占有优势。因此,开展MMC的紧凑化设计,以及串联型换流器的谐波和损耗工程实用化研究,符合特大型城市电网的建设需求。
    关键词:统一潮流控制器;换流器;模块化多电平;

    参考文献:
    [1]20kV IGBT串联阀段关键技术的研究[J]. 赵东元,蔚泉清,李卫国,贾娜. 电力电子技术. 2016(07)
    [2]MMC最近电平逼近调制谐波分析及仿真[J]. 王业,吴奕,管益斌,崔玉,徐宁. 电器与能效管理技术. 2016(08)
    [3]柔性直流输电技术的现状及应用前景分析[J]. 马为民,吴方劼,杨一鸣,张涛. 高电压技术. 2014(08)
    [4]不同结构电压源换流器损耗对比分析[J]. 刘建涛,王治华,王珂. 电力系统保护与控制. 2013(06)
    [5]不同调制策略下两电平电压源换流器损耗分析[J]. 吴锐,温家良,于坤山,陈中圆,韩健,蔚泉清,贾娜,王成昊. 电网技术. 2012(10)
    [6]模块化多电平换流器型直流输电的调制策略[J]. 管敏渊,徐政,屠卿瑞,潘伟勇. 电力系统自动化. 2010(02)
    [1]统一潮流控制器技术及应用[M]. 中国电力出版社 , 国网江苏省电力公司, 2016
    [2]柔性直流输电系统[M]. 机械工业出版社 , 徐政, 2012

    统一潮流控制器换流器模块化多电平

  • 基于变压器前串后并的ZVS移相全桥变换器

    作者:彭松鹏;许娟;朱鹏飞; 期刊:《电力电子技术》 2018年12期

    针对雷达阵面电源低压大电流输入的要求,提出基于变压器输入串联输出并联的移相全桥(PSFB)拓扑方案。对该拓扑部分关键开关模态进行分析,得出次级整流管在箝位二极管导通后仍然振荡的原因。为解决该问题,加入RCD吸收电路来抑制次级同步整流管电压振荡。最后,设计完成了一台4.5 kW零电压开关(ZVS)脉宽调制(PWM)PSFB变换器原理样机,其实验波形与理论分析相吻合,验证了方案的可行性。
    关键词:变换器;移相全桥;变压器;同步整流;

    参考文献:
    [1]一种基于变压器串联和新型辅助网络的ZVS移相全桥变换器[J]. 陈仲,张鑫,季飚,石磊. 电工技术学报. 2009(12)
    [2]相控阵雷达阵面电源保护电路的研制[J]. 唐登平,张毅,汪根华. 现代雷达. 2009(05)
    [1]8V/430A雷达电源的设计[D]. 周猛.南京航空航天大学 2011
    [1] A novel soft-switching full-bridge DC/DC converter: Analysis, design considerations, and experimental results at 1.5 kW, 100 kHz. Redl, Richard,Sokal, Nathan O.,Balogh, Laszlo. IEEE Transactions on Power Electronics . 1991

    变换器移相全桥变压器同步整流

  • 高压功率半导体用水冷板的数值分析和实验研究

    作者:孙凤玉; 期刊:《电力电子技术》 2018年12期

    根据高压功率半导体的高散热要求,设计了一种带有内部强化换热结构的水冷板。采用数值模拟的方法分析了水冷板的热性能,根据分析结果和使用要求确定最优设计方案。并对水冷板的热性能进行了实验测试。对数值计算结果与实验结果进行了对比分析,验证了数值模拟方法的可行性。解决了高压功率半导体的散热问题。
    关键词:水冷板;数值模拟;高压功率半导体;

    参考文献:
    [1]螺旋流道水冷IGBT散热器数值模拟及试验研究[J]. 张新鹏,张广泰,张辉亮,赵盛国. 电力电子技术. 2014(02)
    [2]S形水道水冷板传热特性研究[J]. 苗苗,王硕,李雪冬. 铁道机车与动车. 2013(12)
    [3]变流装置液冷板性能的数值模拟与试验研究[J]. 张龙燕,胡均平. 中南大学学报(自然科学版). 2013(10)
    [4]电力电子器件IGBT用水冷板式散热器热力性能的数值模拟[J]. 包明冬,马展,崔洪江,李明海. 内燃机车. 2012(05)
    [5]Ansys仿真技术在电子产品热设计中的应用[J]. 阮健. 舰船电子对抗. 2011(03)
    [6]基于Fluent的水冷板式散热器数值模拟与试验研究[J]. 贺荣,龚曙光,李纯,陈敏. 流体机械. 2010(02)
    [7]微通道液冷冷板设计与优化[J]. 徐德好. 电子机械工程. 2006(02)
    [8]冷板的优化设计及强度计算[J]. 顾学歧,李峻勤. 北京工业大学学报. 1998(01)

    水冷板数值模拟高压功率半导体

  • 脊髓刺激器无线输电系统谐振拓扑的选择

    作者:卢曰海;丘东元;张波;孟祥添; 期刊:《电力电子技术》 2018年12期

    国家自然科学基金(51677074); ;国家自然科学基金重点项目(51437005)~~; ;在磁谐振式无线输电(WPT)系统中,谐振拓扑的选择对系统效率、传输距离、电压增益等性能指标有直接影响。对4种常用谐振网络进行了分析对比,并根据脊髓刺激器WPT系统的实际需要,最终选择了发射端串联电容和接收端并联电容(SP)谐振拓扑作为最佳谐振方式。此外,还分析了SP谐振拓扑性能与负载、耦合系数之间的关系,最后通过实验验证了理论分析的正确性。为植入式医疗设备WPT系统设计提供了参考。
    关键词:无线输电;脊髓刺激器;谐振拓扑;
    基金:国家自然科学基金(51677074); ;国家自然科学基金重点项目(51437005)~~; ;

    参考文献:
    [1]磁耦合谐振式无线电能传输负载特性研究[J]. 王国东,乔振朋,王允建,王赛丽. 电力电子技术. 2015(10)
    [2]磁耦合谐振式无线电能传输系统频率特性分析[J]. 刘喜声,马殿光,唐厚君. 电力电子技术. 2014(11)
    [3]高效率医疗植入式刺激装置无线充电系统[J]. 熊慧,陈东旭,刘俊利,李刚,张旺明,徐如详. 电子技术应用. 2012(12)
    [4]自谐振线圈耦合式电能无线传输的最大效率分析与设计[J]. 傅文珍,张波,丘东元,王伟. 中国电机工程学报. 2009(18)
    [5]脊髓硬膜外电刺激的数学模型[J]. 崔红岩,谢小波,胡勇. 中国生物医学工程学报. 2008(01)
    [1]基于神经刺激的无线闭环镇疼系统的研究[D]. 左超.华中科技大学 2013
    [1]具有EMG反馈的植入式脊髓电刺激系统的设计与实现[D]. 鞠明明.华中科技大学 2013
    [2]射频供能植入式神经电刺激器关键技术的研究[D]. 黄华.第三军医大学 2008
    [1]Power and signal transmission protocol for a contactless subdural spinal cord stimulation device[J] . Suk-Heung Song,George T. Gillies,Matthew A. Howard,Brian Kuhnley,Marcel Utz. Biomedical Microdevices . 2013 (1)
    [1] High-Misalignment Tolerant Compensation Topology For ICPT Systems. Juan L. Villa,Jesus Sallan,Jose Francisco Sanz Osorio. IEEE Transactions on Industrial Electronics . 2012
    [2] Wireless Power Transfer via Strongly Coupled Magnetic Resonances. André Kurs,Aristeidis Karalis,Robert Moffatt,J. D. Joannopoulos,Peter Fisher,Marin Soljac. Science . 2007
    [3] Active Books: The Design of an Implantable Stimulator That Minimizes Cable Count Using Integrated Circuits Very Close to Electrodes. Xiao Liu,Andreas Demosthenous,Anne Vanhoestenberghe. IEEE TRANSACTIONS ON BIOMEDICAL CIRCUITS AND SYSTEMS . 2012
    [4] An Inductive and Capacitive Combined Wireless Power Transfer System with LC-Compensated Topology. Lu F,Zhang H,Hofmann H,et al. IEEE Transactions on Power Electronics . 2016

    无线输电脊髓刺激器谐振拓扑

  • 牵引异步电动机弱磁策略研究

    作者:肖航;刘莹;赵韵政;程善美; 期刊:《电力电子技术》 2018年12期

    针对牵引异步电动机的高速弱磁区定子磁链最佳给定值问题,深入分析了直接转矩控制的系统结构和数学模型,提出了一种基于滞环控制的自动寻优定子磁链的弱磁方案。通过仿真和实验验证了新的弱磁策略能自动寻求最优磁链,提高电动机带载能力。
    关键词:牵引异步电动机;直接转矩控制;弱磁策略;自动寻优;

    参考文献:
    [1]低开关频率下直接转矩控制策略研究[D]. 孙以恒.华中科技大学 2013
    [1]异步电动机直接转矩控制[M]. 机械工业出版社 , 李夙 编, 1994
    [1] Adaptive Flux-Weakening Controller for Interior Permanent Magnet Synchronous Motor Drives. S Bolognani,S Calligaro,R Petrella. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics . 2014
    [2] Wide Speed Range DTC Drive Performance With New Flux Weakening Control. G Griva,F Profumo,M Abrate,et al. 29th Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference . 1998

    牵引异步电动机直接转矩控制弱磁策略自动寻优

  • 一种磁隔离的交流电流峰值检测电路

    作者:郭艳梅;龚春英;邓翔;张爱玲; 期刊:《电力电子技术》 2018年12期

    全桥变换电路具有功率开关器件电压、电流应力小,功率变压器利用率高等优点,在中大功率应用场合得到广泛应用。全桥脉宽调制(PWM)变换器中,通过变压器初级峰值电流控制能很好地抑制功率变压器直流偏磁,可有效提高装置的可靠性。针对目前现有电流检测方法存在的不足,提出了一种磁隔离的交流电流峰值检测电路,结合峰值电流控制技术可有效抑制初级电流的直流偏置,实现高可靠控制。给出了检测电路的电路拓扑,详细分析了工作原理和设计准则。最后通过仿真和实验验证了上述理论的可行性和正确性。
    关键词:全桥变换电路;峰值电流控制;检测电路;

    参考文献:
    [1]直流电流检测中霍尔传感器的应用[J]. 李树成. 通信电源技术. 2017(04)
    [2]基于死区调节的单级桥式PFC变换器变压器偏磁抑制策略[J]. 王大庆,贲洪奇,孟涛. 中国电机工程学报. 2012(30)
    [3]偏磁及其抑制技术在全桥变换器中的作用分析[J]. 邵楚雯,王书征. 电工电气. 2012(01)

    全桥变换电路峰值电流控制检测电路

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