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

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.

Effect of Hot Carrier on Amplitude Modulation and Demodulation of Gaussian High Power Helicon Wave in Homogeneous Longitudinally Magnetized Strain Dependent Dielectric Material

In the present communication, the hydrodynamic model is used to investigate the amplitude modulation as well as demodulation of an electromagnetic wave of high power helicon pump wave into another helicon wave in strain dependent dielectric material incorporating carrier heating (CH) effects. The consideration of CH in modulation and demodulation is prime importance for the adding of new dimension in analysis of amplification of acoustic helicon wave. By using the dispersion relation, threshold pump electric filed and growth rate of unstable mode from the modulation and demodulation of the high power helicon wave well above from the threshold value will be discussed in the present analysis. The numerical analysis is applied to a strain dependent dielectric material, BaTiO3 at room temperature and irradiated with high power helicon wave of frequency 1.78 × 1014 Hz. This material is very sensitive to the pump intensities, therefore during studies, Gaussian shape of the helicon pump wave is considered during the propagation in stain dependent dielectric material and opto-acoustic wave in the form of Gaussian profile (ω0,κ0) is induced longitudinally along the crystallographic plane of BaTiO3. Its variation is caused by the available magnetic field (ωc), interaction length (z) and pulsed duration of interaction (τ). From the analysis of numerical results, the incorporation of CH effect can effectively modify the magnitude of modulation or demodulation of the amplitude of high power helicon laser wave through diffusion process. Not only the amplitude modulation and demodulation of the wave, the diffusion of the CH effectively modifies the growth rate of unstable mode of frequency in BaTiO3. The propagation of the threshold electric field shows the sinusoidal or complete Gaussian profile, whereas this profile is found to be completely lost in growth of unstable mode. It has also been seen that the growth rate is observed to be of the order of 108 - 1010 s-1 but from diffusion of carrier heating, and that its order is enhanced from 1010 - 1012 s-1 with the variation of the magnetized frequency from 1 to 2.5 × 1014 Hz.

高频链矩阵变换器直接功率反步控制策略

针对高频链矩阵变换器(HFLMC)电路前后级耦合导致系统动态性能和鲁棒性降低的问题,提出一种基于直接功率的非线性反步控制策略(BS-DPC)。首先,建立HFLMC非线性数学模型和有功、无功功率动态模型,分析双极性电流空间矢量调制策略;然后,在考虑系统不确定性情况下引入2个解耦控制分量,设计直流输出电流和无功功率反步控制器,实现电池不同工况下输出电流参考值的快速跟踪控制;最后,根据李雅普诺夫稳定性理论证明HFLMC闭环系统全局渐进稳定性,并对比传统PI直接功率控制和BS-DPC策略。仿真和实验结果表明,所提BS-DPC策略控制HFLMC提高了输出电流的动态性能和电网波动及直流滤波电感变化下的鲁棒性,响应时间减少了约78%,网侧THD降低了0.98%。

电压源型风电比例影响区域电网频率调整研究

随着新能源大比例接入新型电力系统中,区域电网的频率稳定性问题凸显。为了研究风电在区域电网中对新能源系统稳定运行能力的影响,针对电压源型风电占比对区域电网频率调整的影响开展研究。对风电频率需求相应特性和电压源型风电机组控制进行分析,提出了在电压源型风电机组不同占比结构下的区域电网新能源场站容量分配评估方法。在Matlab/Simulink中对不同电压源型风电占比下的电网频率响应特性进行验证。结果表明,随着在混合风电场内配置一定比例的电压源型风电机组,可以有效地改善区域电网的频率稳定性。

一种X波段机载MPM设计与工程实现

微波功率模块(MPM)是高集成度的一种微波发射机,它是真空放大器件应用的重大变革,涉及微波、真空电子、集成电源、微系统集成等多技术领域,具备单机功率大、频带宽、效率高、功率密度高、可靠性高等优点,可用于无人机电子对抗系统、有源相控阵、拖曳式高功率电子干扰诱饵、气象雷达等许多领域。文中介绍了一种X波段中功率机载MPM的设计方法,详细阐述了励磁电感、谐振电感、谐振电容三元素串联谐振全桥拓扑高压电源、载频脉冲调制器、模块结构与热设计及其关键技术,并给出了实测数据,以期给相关从业人员带来一些启发和帮助。该项目研制的MPM已在外场成功完成空空、空地试验应用,性能非常好,可推广使用。

一种低温漂高电源抑制能力的振荡器设计

为了提升开关电源芯片中振荡器的温度特性和电源抑制能力,提出一种改进型拓扑结构的RC振荡器。该振荡器由电容充放电模块、偏置电流源模块、比较器模块以及寄存器模块组成。通过将电容的上下极板都接入电流源,并对电容下极板流过的电流进行采样,引入负反馈对充放电电流源进行动态调节,从而减小电容上极板电压通过沟道调制效应对充放电电流源的影响,增强充放电电流源的电源抑制能力。再配合偏置电流源模块中经过温度补偿的偏置电流,得到具有低温漂特性及高电源抑制能力的振荡频率。基于CSMC 0.18μm BCD工艺完成了电路设计,仿真实验结果表明,所设计的振荡器工作频率为411 kHz,电源电压为2.6~3.8 V时频率变化为0.119%,温度为-40~125℃时频率变化为3%。该振荡器具有较强的电源抑制能力,能很好地满足开关电源芯片中振荡器的设计要求。

1000MW超超临界汽轮机组中低负荷节能研究

为解决中低负荷工况下的高耗能问题,某电厂进行了广义变频改造,并选取改造后的THA、75%THA和50%THA等3个典型工况进行了节能效果测试与研究。结果显示,在高负荷工况下,广义变频的节能效果并不显著;而在中低负荷工况下,广义变频的节能效果随着负荷的降低而增加。该研究表明,通过广义变频改造能够有效降低中低负荷工况下的能耗,同时该研究为AGC调频技术在深化节能改造方面的应用探索了道路。

高压大电流磁轴承功率放大器的系统研究与应用

针对三相三线制交流电网输入、高压大电流隔离输出、交流掉电不间断供电10 min,以及较大频率响应范围、稳态特性和动态特性良好的要求,提出一种N+1冗余不间断的稳压电源和三态PWM调制的功率放大器。阐述了磁悬浮轴承控制系统的工作原理,设计并制造了600 V/60 A的高压大电流功率放大器系统。实验结果表明,稳压电源能够实现10 min左右的不间断供电且变换器具有冗余功能,磁轴承功率放大器具有较小的输出电流纹波,同时具有较好的跟随特性、稳态特性、动态特性和较大频率响应范围。样机实验结果表明,所设计系统能够满足要求,对磁悬浮轴承控制系统的商业化生产制造具有一定的指导意义。

大功率永磁变频一体机在煤矿的应用

随着煤矿装备技术的发展,大功率变频一体机有效解决了永磁电机的退磁问题,通过优化高压电机变频软启动控制技术,相对传统驱动方式减少了对机械部件的冲击,既承袭了变频驱动的技术优势,又解决了分体式变频器驱动对电网的污染和长距离供电对变频器的影响。

煤矿工业热风炉智能供电系统功率因数复合调制的研究

由于在实际应用中,煤矿工业热风炉智能供电系统存在着功率因数低、谐波扰动大等问题。为此,提出高频率启停煤矿工业热风炉智能供电系统功率因数复合调制方法。利用整流器数学模型计算直流侧稳态电压,并建立功率因数调制信号质量函数,计算高频启停状态下的有功功率和无功功率。获取功率因数复合调制反馈量,对比该反馈量与供电系统稳定状态下的功率,将差值输入至PI调节器内,控制高频率启停设备电流,实现煤矿工业热风炉智能供电系统功率因数复合调制。实验结果表明:计算煤矿工业热风炉智能供电系统稳态电压数值较为准确,有效实现高频率启停煤矿工业热风炉智能供电系统功率因数复合调制,应用效果较为显著,为电力系统工程中功率因数补偿和电压稳定等问题提供有力支撑。

Kilowatt-class high-energy frequency conversion to 95 J at 10 Hz at 515 nm

We report on frequency doubling of high-energy,high repetition rate ns pulses from a cryogenically gas cooled multi-slab ytterbium-doped yttrium aluminum garnet laser system,Bivoj/DiPOLE,using a type-I phase matched lithium triborate crystal.We achieved conversion to 515 nm with energy of 95 J at repetition rate of 10 Hz and conversion efficiency of 79%.High conversion efficiency was achieved due to successful depolarization compensation of the fundamental input beam.

基于高频开关电源的通信设备整流模块设计与性能优化

文章基于高频开关电源的通信设备整流模块设计与性能优化展开研究,旨在提出一种高效稳定的电源解决方案。设计直流/直流(Direct Current/Direct Current,DC/DC)变换电路,实现对直流电压的变换和稳定输出,并设计多种监控电路,包括配电监控电路、绝缘监控电路、主监控电路,以全面监测和管理整流模块的工作状态,保障系统的安全稳定运行。通过优化调整脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,PWM)频率和占空比,确定最佳参数配置,获得稳定且低纹波的输出电压。这些研究成果为通信设备提供一种可靠的电源解决方案,具有重要的实际应用价值。

高频开关电源变换器的数字控制研究

随着电力电子技术的迅速发展和高频开关电源变换器在各类电子设备中应用的日益广泛,数字控制技术因其卓越的性能和高度的灵活性成为研究的热点。通过分析数字脉宽调制(Digital Pulse Width Modulation,DPWM)生成数字占空比信号时产生的问题,引出将模拟控制信号转换成数字占空比信号存在的局限,进而基于Boost变换器提出一种类比例-微分(Proportional-Derivative,PD)的模糊逻辑控制器(Fuzzy Logic Controller,FLC)。该数字控制系统可以直接生成占空比信号而不会导致极限环振荡,并通过实验证明了设计的控制器的有效性。高频开关电源变换器的数字控制研究旨在为电力电子领域提供更加精确、灵活及高效的控制方案,进一步推动高频开关电源变换器技术的发展。

共高频母线电能路由器局部模块闭锁研究

以模块化多有源桥电路为基础的新型共高频母线结构的电能路由器由于具有变换环节少、功率密度高等特点,在交直流混合系统应用中具有显著优势。实际应用中,局部模块因故障保护或冗余控制等原因需封锁器件脉冲停运,但在杂散参数引发的高频振荡影响下仍能传输功率,可能造成系统安全问题。为保证装置的稳定运行,文中建立高频母线结构下的闭锁模块高频振荡模型,可快速计算不同工况下的电路稳态波形,由此分析局部模块闭锁后的系统振荡特性和模块功率传输行为,并提出于模块交流侧安装隔离开关的措施,分析隔离开关杂散参数对振荡特性和闭锁模块传递功率行为的影响。最后,在实际功率单元模块进行实验,仿真和实验对比验证了所提模型的准确性和隔离开关措施的可行性。

采用移相控制的具有软开关能力的交错图腾杆无桥Boost PFC变换器

该文提出了一种具有软开关能力的图腾杆式无桥交错Boost功率因数校正器(power factor correction,PFC).与传统的交错图腾杆无桥升压PFC变换器相比,在2个PFC变换器单元之间增加了一个电感,利用增加电感的能量,使所有开关实现零电压开关.此外,通过在2个PFC变换器单元之间应用移相控制,使得变换器可以将所加电感上的电流大小控制为一个最优值.因此,该变换器可以实现零电压工作,同时最大限度地降低附加电感的导通损耗和铁心损耗.通过Matlab Simulink仿真的结果表明:该变换器可以达到较高的效率,验证了该变换器的可行性.

脉冲宽度调制高频高压电源的研究与设计

对于内部结构参数、气源与冷却系统确定的介质阻挡放电发生装置,激励电源参数就成了决定放电性能好坏的关键因素。在分析介质阻挡放电负载放电特性的基础上,对高频高压电源的主电路拓扑结构、逆变电路及控制电路等进行了分析与设计,研制了频率为15~50kHz、电压为0~6kV的高频高压电源。利用此电源研究了介质阻挡放电装置臭氧产生的应用效果。实验结果表明,在频率15~17kHz范围内,随着功率的逐渐升高,臭氧浓度逐渐升高及产量逐渐升高,在功率140W时达到最高,浓度为172.6g/cm 3,产量为10.35g/h。在不同频率下,最大能耗效率都出现在较低的输入功率时,且能耗效率随着输入功率的增大而减小。

考虑风-储-直参与调频的电力系统频率特征定量分析

以风电、储能、柔性直流输电为代表的高比例可再生能源和大量电力电子设备的并网,使得电网中传统火电的比例下降,这将在一定程度上影响电力系统的频率稳定性。为定量分析风电、储能、柔性直流输电系统参与调频下电力系统的频率特征,首先提出多种调频资源参与调频下的电网频率特征定量分析总体思路,建立风-储-直调频频率响应模型。然后基于频率特性传递函数对电力系统稳态频率偏差、初始频率变化率、最大频率偏差和频率安全裕度进行理论推导;且定量分析了稳态频率偏差变化规律以及惯性时间常数、辅助调频单元控制比例系数对频率稳定性的影响,并计算稳态频率偏差与功率扰动的关系。最后,基于仿真软件验证了所提分析方法的可行性和有效性。仿真表明所提方法可有效定量分析电力系统频率特征,可为双高电力系统下电网频率安全稳定运行与控制提供指导依据。

低扬程轴流泵反向发电技术研究与应用

为实现大型低扬程立式轴流泵反向发电运行,利用电子变频技术代替机械变频技术,将高压四象限变频器应用于淮阴二站反向变频发电,并分析了并网方案、变频控制策略,同时对现场进行改造,实现了水泵发电运行的无级调速,可根据运行工况自动跟踪水泵机组最优发电转速从而达到最大发电功率,使效益最大化。

矿用电机车变频调速系统研究

为了扩宽矿用电机车的调速范围,优化调速性能,实现企业节能减排的发展目标,将先进的变频调速技术用于电机车调速系统。该系统由主电路、控制电路等部分组成,介绍了部分电路的设计思路。变频调速系统的应用提高了电机车的调速性能,节省了企业支出。

Analysis on FM-to-AM conversion of SSD beam induced by etalon effect in a high-power laser system

FM-to-AM(frequency modulation-to-amplitude modulation)conversion caused by nonuniform spectral transmission of broadband beam is harmful to high-power laser facility.Smoothing by spectral dispersion(SSD)beam is a special broadband beam for its monochromatic feature at the given time and space on the near field.The traditional method which uses the optical spectral transfer function as filters cannot accurately describe its AM characteristics.This paper presents the theoretical analysis of the etalon effect for SSD beam.With a low-order approximation,the analytic model of the temporal shape of SSD beam is obtained for the first time,which gives the detailed AM characteristics at local and integral aspects,such as the variation of ripples width and amplitude in general situation.We also analyze the FM-to-AM conversion on the focal plane;in the focusing process,the lens simply acts as an integrator to smooth the AM of SSD beam.Because AM control is necessary for the near field to avoid optics damage and for the far field to ensure an optimal interaction of laser-target,our investigations could provide some important phenomena and rules for pulse shape control.