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SiC MOSFET去饱和保护电路分析与优化

SiC MOSFET去饱和保护电路分析与优化

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作者：李佳炜华中科技大学

学位级别：硕士

碳化硅(SiC)器件相较于传统硅(Si)器件在多方面均有显著优势,在应用于电力电子装置时可以有效提高装置的效率与功率密度,因此在各类领域中被广泛运用。然而,由于SiC器件的芯片面积较小,短路能力较弱,在使用时对保护电路的要求也更为严... 详细信息

碳化硅(SiC)器件相较于传统硅(Si)器件在多方面均有显著优势,在应用于电力电子装置时可以有效提高装置的效率与功率密度,因此在各类领域中被广泛运用。然而,由于SiC器件的芯片面积较小,短路能力较弱,在使用时对保护电路的要求也更为严苛。在众多保护方案中,去饱和保护法具有结构简单且成本低的优势,但也存在响应速度和抗干扰性无法兼顾的缺陷,在应用于SiC MOSFET时存在一定不足。为解决上述问题,本文以SiC MOSFET分立器件为研究对象,围绕其展开去饱和保护电路的相关分析与优化,具体工作内容如下:1、分析了去饱和保护的基本原理及其评估测试方法。首先,分析了短路故障的相关机理;其次,从工作原理、拓扑分类、参数设计和具体应用等方面对去饱和保护进行了介绍与分析,并确定以去饱和保护电路在不同位置的应用情况作为后续研究对象;最后,设计了1000V的去饱和保护测试平台,用于评估保护电路性能。2、针对SiC MOSFET去饱和保护电路在固态断路器中的应用进行了设计与分析。从结构与参数两方面对固态断路器中的去饱和保护电路进行了设计,并分析了去耦电容对保护检测的影响。探究了温度对保护检测精度的影响,并进行散热设计和热仿真验证。通过实验验证了SiC MOSFET固态断路器的保护性能,故障响应时间小于400 ns。此外,与Si IGBT固态断路器在响应速度与检测精度两方面进行了对比。3、针对SiC MOSFET去饱和保护电路在半桥拓扑中的应用进行了设计与优化。分析了去饱和保护电路在半桥拓扑中存在的主要问题,将“消隐时间”和“抗干扰性”确定为优化目标。通过分析器件在正常开通与硬开关故障时的差异,提出了一种基于漏源电压加速硬开关故障处理的改进方法,并进行了仿真验证。其次,在前者基础上进一步提出了一种消隐时间自适应的去饱和保护电路方案。通过实验对所提方案进行验证,结果表明所提方案能够加速去饱和保护电路对短路故障的处理,且加速效果与母线电压正相关,实现了消隐时间的自适应变化,并且抗干扰性几乎不受到影响。

关键词： SiC MOSFET 去饱和保护固态断路器消隐时间

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布局布线主导的多芯片碳化硅功率模块动态均流研究

布局布线主导的多芯片碳化硅功率模块动态均流研究

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作者：葛雨馨华中科技大学

学位级别：硕士

得益于碳化硅(Silicon Carbide,SiC)功率芯片的高开关性能优势,SiC功率模块在电气化交通等大功率场合中具有广阔的应用前景。受限于芯片的制造工艺水平,单个SiC功率芯片的通流能力无法满足大功率输出的需求。为了提高功率模块的额定电流... 详细信息

得益于碳化硅(Silicon Carbide,SiC)功率芯片的高开关性能优势,SiC功率模块在电气化交通等大功率场合中具有广阔的应用前景。受限于芯片的制造工艺水平,单个SiC功率芯片的通流能力无法满足大功率输出的需求。为了提高功率模块的额定电流,通常将多个芯片并联使用,并封装集成于多芯片SiC功率模块中。然而,功率模块封装内部的多芯片互连会诱发寄生效应,特别是寄生电感的引入,会对并联芯片的动态电流分配产生不利影响。动态电流分配不均衡会导致功率损耗和芯片结温不一致,从而降低功率模块的可靠性和工作寿命。因此,为了避免动态电流不均对功率模块造成不可逆的损坏,本文以引线键合式多芯片SiC功率模块为研究对象,重点开展布局布线主导的并联芯片动态均流研究。研究内容具体如下:(1)基于开关瞬态耦合寄生网络模型,对多芯片SiC功率模块进行了布局布线主导的动态均流机理分析。全面理解动态均流机理是有效缓解并联芯片动态电流分配不均的关键。本文以两种通用布局的多芯片SiC功率模块为例,根据部分自感与部分互感的概念建立了开关瞬态耦合寄生网络模型。在此基础上,分析了并联芯片的动态均流机理,并推导了动态均流等式。该等式不仅可以作为并联芯片动态均流特性评估的依据,也可以作为多芯片SiC功率模块布局设计与布线优化的理论指导。(2)基于动态均流等式计算值与开关瞬态电流波形,对多芯片SiC功率模块进行了布局布线主导的动态均流特性评估。精准提取寄生电参数并建立等效的电路模型是准确评估并联芯片动态均流特性的重要前提。本文以两种通用布局的多芯片SiC功率模块为研究对象,采用ANSYS Q3D提取了开关瞬态耦合寄生网络模型中涉及的寄生电参数,据此计算了动态均流等式。其次,基于提取的频率相关寄生电参数,在ANSYS Simplorer中进行了电磁耦合仿真分析以获取开关瞬态电流波形。将动态均流等式计算值与开关瞬态电流波形结合,能够实现并联芯片的动态均流特性评估。等式计算值与仿真结果的高度匹配验证了动态均流等式的有效性。此外,针对制作的功率模块样品,从部分电感测量和双脉冲测试两方面进行了实验验证。(3)基于动态均流等式,提出了一套实现动态均流的多芯片SiC功率模块布局设计与布线优化方案。本文根据功率模块基板铜图案与芯片布局设计的原则与流程,设计了优化布局的多芯片SiC功率模块。基于响应面建模法,对上述功率模块进行了并联芯片功率源极键合线优化,获取了优化布线的多芯片SiC功率模块。根据前述的动态均流特性评估方法,对两种功率模块开展了布局布线优化前后的对比与仿真验证。此外,对制作的功率模块样品进行了双脉冲测试的实验验证。通过提出的功率模块布局设计与布线优化方案,可将并联芯片的动态电流峰值或谷值差异降低至2.2%,有效实现了动态均流。

关键词：动态均流多芯片SiC功率模块封装布局布线寄生电参数

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可解释性链接预测方法研究与系统实现

可解释性链接预测方法研究与系统实现

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作者：侯韬山西大学

学位级别：硕士

链接预测是网络数据挖掘领域中的一个重要研究任务。近年来,基于图神经网络的链接预测模型能够有效建模图结构和节点特征,因其具有很强的网络表示学习能力,这使得链接预测任务的性能得到了很大提升,但由于图神经网络模型的“黑盒”特性... 详细信息

链接预测是网络数据挖掘领域中的一个重要研究任务。近年来,基于图神经网络的链接预测模型能够有效建模图结构和节点特征,因其具有很强的网络表示学习能力,这使得链接预测任务的性能得到了很大提升,但由于图神经网络模型的“黑盒”特性,其不可解释性问题也愈发突出。链接预测结果的不可解释、不可信的问题使其在社会化推荐、生物信息等应用领域难以被广泛接受。当前图神经网络的可解释性方法研究主要是面向节点分类和图分类任务且都存在局限性:基于梯度的方法存在梯度饱和的问题,在稀疏图上会加剧;基于代理的方法难以寻找合适的简单模型去拟合现有的深度学习模型,不具有普遍性;基于扰动的方法添加扰动的离散程度会引入噪声影响结果。以上方法主要是针对节点或图分类,难以直接迁移至链接预测任务中。为此,本文从基于扰动的角度,针对扰动矩阵带来的局限性,对可解释性链接预测进行了深入研究,主要包括以下三个方面:(1)针对连续型的扰动值可能会对输入图引入噪声及0-1的离散型扰动值不可微问题,提出一种融合离散型和连续型扰动值的可解释性链接预测方法。该方法首先计算边的因果贡献值并降序排序,然后使用边贡献值构造边的扰动矩阵,最后基于子图与预测概率的互信息去求解解释子图。实验在5个数据集上验证了该方法的性能优于已有方法。(2)针对基于扰动的可解释模型难以直接迁移到链接预测的问题,提出一种基于子图的可解释性链接预测方法。该方法首先对目标节点对的局部子图进行抽取,然后添加扰动矩阵送入图神经网络模型训练二次抽取出解释子图。该方法在4个数据集上实验验证了子图两次抽取的有效性,模型性能有所提高。(3)基于上述两种方法,实现了可解释性链接预测系统。该系统将网络数据作为输入,既能够得到网络节点之间的链接预测结果,又能够对节点之间链接预测的解释子图进行可视化,为用户的理解和方法的应用提供了重要参考价值。

关键词：可解释性链接预测黑盒模型互信息

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