电磁脉冲对小型直流伺服系统中IGBT的损伤分析与等效性评估

发布时间：2020-10-09 14:10

　　直流伺服系统是通过改变电压大小来控制电机转速的装置,具有响应快、转速高、惯量小等优点,在机械精密加工、火炮控制、导弹飞行控制等平台中具有广泛应用。绝缘栅双极晶体管(IGBT)是应用于直流伺服系统中的功率开关管,通过控制开关特性来控制直流伺服电机上的电压大小。随着直流伺服系统向小型化、高性能方向发展,其中的IGBT元件也逐渐趋于高频化、集成化,从而导致其敏感阈值降低,在服役中易受电磁脉冲干扰,严重制约了其在军用作战等强电磁脉冲环境中的工作性能。然而,目前对于IGBT的电磁脉冲损伤分析只停留在通过实验方法来反映其宏观特性,忽略了其微观层面的损伤机理,同时,也忽略了对不同电磁脉冲作用的异同性分析。本文针对小型直流伺服系统中IGBT的电磁脉冲损伤问题,采用数学建模和仿真分析相结合的方法分析了电磁脉冲对IGBT的损伤机理,并提出了一种基于指标体系评估思想的电磁脉冲等效性评估方法。首先,针对阶跃脉冲进行了IGBT的损伤分析,分别得到了其在两种状态下的瞬态响应,并建立了阶跃脉冲的主要波形参数(电压和上升时间)对IGBT烧毁时间影响的回归模型,揭示了其损伤机理。然后,针对双指数脉冲和方波脉冲两种电磁脉冲进行了IGBT的损伤分析,通过仿真分析得到了其主要参数(幅值、脉宽和上升沿)的损伤影响规律,进而比较了两者对IGBT作用的异同性,确立了不同脉冲参数下波形等效条件,实现了不同电磁脉冲对IGBT损伤的等效性分析。最后,针对电磁脉冲对器件的损伤机理,提出了基于指标体系评估思想的电磁脉冲等效性评估方法,并研制了相应的等效性评估软件系统,提高了评估效率。
【学位单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TM921.541
【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
符号对照表
缩略语对照表
第一章绪论
    1.1 研究背景与意义
    1.2 国内外研究现状
        1.2.1 电磁脉冲对电子系统作用研究现状
        1.2.2 半导体器件电磁脉冲损伤机理研究现状
        1.2.3 电磁脉冲等效性研究现状
    1.3 本文研究内容
第二章电磁脉冲对直流伺服系统中IGBT的损伤机理
    2.1 电磁脉冲对直流伺服系统中IGBT的作用途径
        2.1.1 典型直流伺服系统
        2.1.2 电磁脉冲耦合途径
        2.1.3 直流伺服系统中IGBT的敏感特性
    2.2 IGBT失效机理
        2.2.1 IGBT结构组成
        2.2.2 失效机理
    2.3 电磁脉冲特性
        2.3.1 阶跃脉冲
        2.3.2 双指数脉冲
        2.3.3 方波脉冲
    2.4 本章小结
第三章功率开关管IGBT的阶跃脉冲损伤
    3.1 IGBT的二维物理建模
        3.1.1 IGBT建模预处理
        3.1.2 IGBT模型参数设计
        3.1.3 IGBT建模
    3.2 IGBT的脉冲损伤求解条件
        3.2.1 物理模型设置
        3.2.2 数值求解条件
    3.3 栅极关断情况下的IGBT损伤机理
        3.3.1 瞬态响应分析
        3.3.2 损伤影响因素回归模型
    3.4 栅极开启情况下的IGBT损伤机理
        3.4.1 瞬态响应分析
        3.4.2 损伤影响因素回归模型
    3.5 本章小结
第四章功率开关管IGBT的脉冲损伤等效分析
    4.1 脉冲信号生成
        4.1.1 双指数类脉冲
        4.1.2 方波类脉冲
    4.2 IGBT的双指数脉冲损伤
        4.2.1 数值求解
        4.2.2 脉冲损伤规律分析
    4.3 IGBT的方波脉冲损伤
        4.3.1 数值求解
        4.3.2 脉冲损伤规律分析
    4.4 等效性分析
        4.4.2 幅值对脉冲作用效应影响
        4.4.3 脉宽对脉冲作用效应影响
        4.4.4 上升沿对脉冲作用效应影响
    4.5 本章小结
第五章电磁脉冲损伤的等效性评估
    5.1 电磁脉冲波形简化的原则与表示
        5.1.1 波形简化原则
        5.1.2 波形简化的电磁范数表示
    5.2 电磁脉冲特征参量提取
        5.2.1 非范数特征参数提取
        5.2.2 范数类特征参数提取
    5.3 电磁脉冲的等效性评估
        5.3.1 评估准则
        5.3.2 评估指标体系
        5.3.3 评估模型与策略
    5.4 电磁脉冲损伤评估软件
        5.4.1 软件开发方案
        5.4.2 软件对计算机配置要求
        5.4.3 软件开发关键性技术
        5.4.4 软件主要功能模块
    5.5 本章小结
第六章总结和展望
    6.1 总结
    6.2 展望
参考文献
致谢
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