开关电源多元质量稳健优化设计技术

发布时间：2017-10-16 21:27

  本文关键词：开关电源多元质量稳健优化设计技术

  更多相关文章： 开关电源 稳健优化设计 电热耦合仿真 性能退化 近似建模

【摘要】：随着可靠性要求越来越高,开关电源的质量一致性问题已成为制约我国电子系统可靠性和寿命提升的关键因素。因此,如何提升批量产品的质量一致性,降低全寿命周期的个体差异,已成为开关电源厂家亟待解决的技术难题。目前,开关电源仿真较少考虑功率半导体器件的电热耦合效应,仿真精度不高,且无可以直接用于开关电源稳健优化设计的近似建模方法。另外,现有方法只针对初始质量特性进行优化设计,没有考虑退化过程的分散性,无法根本解决开关电源产品全寿命周期的质量一致性问题。本文在综合分析行业需求以及国内外研究现状的基础上,研究开关电源多元质量稳健优化设计方法。通过优化关键设计参数及其容差,合理分配元器件的质量要求,降低开关电源输出特性和关键元器件应力对各种不确定因素的敏感性,提高产品固有质量。同时,从设计角度为生产过程关键工序的定量化控制提供一定的理论指导。首先,研究基于i SIGHT的开关电源电热耦合建模与仿真分析方法。建立高频变压器的等效电路模型,并采用有限元仿真提取模型参数;分析功率半导体器件的电热耦合效应,明确其特性参数与温度的关系,建立功率肖特基二极管和MOSFET的电热耦合仿真模型。在此基础上,以某开关电源为例,分别建立电路仿真模型和稳态热场仿真模型,并采用i SIGHT平台对电、热仿真过程进行集成,准确描述开关电源的电热特性与下位特性参数的关系,为后续研究奠定基础。其次,针对开关电源多元质量的波动,研究基于序贯近似建模的稳健优化设计方法。基于正交试验的灵敏度分析,确定导致多元质量波动的关键因素;对关键因素进行最优拉丁超立方抽样,构建试验样本;以均方根误差RMSE(Relative Mean Square Error)和复相关系数R2为评价指标,分析径向基函数对开关电源多元质量特性近似建模的适用性,确定各质量特性的最佳基函数和宽度系数c,并通过交叉验证采样策略提高近似模型的全局精度。在此基础上,研究基于近似模型的多目标稳健优化设计方法,同步求得关键设计参数的均值和容差,以给出提高开关电源初始质量一致性的最佳设计方案。然后,根据开关电源全寿命周期质量稳健性分析与优化设计的需要,对基于敏感参数的元器件性能退化建模技术展开研究。在判别出元器件敏感参数的基础上,分别针对线性和非线性退化情况,研究相应的退化建模方法。针对具有线性退化路径的铝电解电容,提出考虑测量误差的随机效应退化建模方法,模型参数则通过EM(Expectation Maximization)迭代的极大似然估计求得。本文以ESR(Equivalent Series Resistance)和电容值C为敏感参数建立铝电解电容的退化模型。针对具有非线性退化路径的功率MOSFET,提出基于非线性Wiener过程的退化建模方法,并采用MCMC(Markov Chain Monte Carlo)仿真对模型参数进行估计。本文采用该方法建立功率MOSFET阈值电压和沟道电阻的退化模型。最后,将电热耦合仿真模型与元器件性能退化模型结合,研究考虑性能退化的多元质量稳健优化设计方法。建立开关电源的时变系统连续状态模型和时变极限性能状态方程,研究基于集合理论的性能可靠度计算方法。根据性能可靠度的计算结果,针对开关电源的输出特性,建立基于寿命周期质量损失准则的稳健优化设计模型;针对开关电源的关键元器件,建立基于退化失效时间的稳健优化设计模型。通过优化设计变量及其容差改善产品在寿命周期内的性能稳健性,提高开关电源性能退化过程的一致性。本研究对提高国产开关电源的质量一致性设计、分析与优化能力具有重要的理论意义和实用价值,其关键技术与研究思路也可为其他电子系统的质量改进工作提供借鉴。
【关键词】：开关电源 稳健优化设计 电热耦合仿真 性能退化 近似建模
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN86
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-14
• 第1章 绪论14-28
• 1.1 课题的研究背景14-15
• 1.2 课题研究的目的及意义15-16
• 1.3 课题的国内外研究现状分析16-25
• 1.3.1 开关电源质量设计技术研究现状16-18
• 1.3.2 电力电子系统电热耦合仿真技术研究现状18-19
• 1.3.3 性能退化建模技术的研究现状19-22
• 1.3.4 产品质量一致性稳健优化设计技术的研究现状22-24
• 1.3.5 存在的主要问题24-25
• 1.4 本文的主要研究内容25-28
• 第2章 开关电源的电热耦合建模与仿真分析28-52
• 2.1 引言28
• 2.2 开关电源电热耦合仿真策略28-30
• 2.3 高频变压器等效模型及分布参数提取30-32
• 2.3.1 高频变压器等效电路模型30-31
• 2.3.2 高频变压器分布参数提取31-32
• 2.4 功率半导体器件的电热耦合模型32-43
• 2.4.1 功率肖特基二极管电热耦合模型33-39
• 2.4.2 功率MOSFET的电热耦合模型39-43
• 2.5 基于i SIGHT平台的开关电源电热耦合仿真43-47
• 2.5.1 开关电源的电路仿真模型43-45
• 2.5.2 开关电源的温度场仿真模型45-46
• 2.5.3 利用i SIGHT实现开关电源电热仿真集成46-47
• 2.6 电热耦合仿真的实验验证47-51
• 2.6.1 电学特性仿真结果验证48-49
• 2.6.2 热学特性仿真结果验证49-51
• 2.7 本章小结51-52
• 第3章 基于序贯近似建模的多元质量稳健优化设计52-80
• 3.1 引言52
• 3.2 确定影响初始质量波动的关键设计目标52-54
• 3.3 隐式系统的多元质量灵敏度分析54-58
• 3.3.1 隐式系统全局灵敏度54-55
• 3.3.2 基于正交试验的多元质量灵敏度分析55-58
• 3.4 多元质量特性的序贯近似建模58-70
• 3.4.1 试验样本的构建59-61
• 3.4.2 径向基函数近似模型的适用性分析61-66
• 3.4.3 基于交互验证采样策略的序贯近似建模66-70
• 3.5 基于近似模型的多元质量稳健优化设计70-78
• 3.5.1 多元质量稳健优化设计准则70-71
• 3.5.2 多元质量稳健优化设计建模71-73
• 3.5.3 多元质量稳健寻优策略73-76
• 3.5.4 优化结果实验验证76-78
• 3.6 本章小结78-80
• 第4章 基于敏感参数的元器件性能退化建模80-100
• 4.1 引言80
• 4.2 元器件敏感参数判别及退化建模思路80-83
• 4.2.1 退化敏感参数的判别原则80-82
• 4.2.2 性能退化建模思路82-83
• 4.3 基于随机效应的性能退化建模83-92
• 4.3.1 考虑测量误差的随机效应退化模型83-86
• 4.3.2 基于EM迭代的模型参数估计86-88
• 4.3.3 铝电解电容的性能退化模型88-92
• 4.4 基于非线性Wiener过程的性能退化建模92-99
• 4.4.1 非线性Wiener过程性能退化模型92-94
• 4.4.2 基于MCMC仿真的模型参数估计94-95
• 4.4.3 功率MOSFET的性能退化模型95-99
• 4.5 本章小结99-100
• 第5章 考虑性能退化的多元质量稳健优化设计100-123
• 5.1 引言100
• 5.2 时变系统性能可靠性预计100-106
• 5.2.1 时变系统连续状态模型101-103
• 5.2.2 时变极限性能状态方程103-104
• 5.2.3 时变系统动态性能可靠度计算104-106
• 5.3 针对开关电源输出特性退化的稳健优化设计106-114
• 5.3.1 寿命周期质量损失准则107-109
• 5.3.2 寿命周期质量损失建模109-110
• 5.3.3 基于寿命周期质量损失的稳健优化设计建模110-111
• 5.3.4 输出电流退化的实例验证111-114
• 5.4 针对开关电源关键元器件退化的稳健优化设计114-121
• 5.4.1 工作应力对元器件退化失效的影响115-116
• 5.4.2 基于退化失效时间的稳健优化设计建模116-117
• 5.4.3 功率MOSFET退化的实例验证117-121
• 5.5 本章小结121-123
• 结论123-125
• 参考文献125-137
• 攻读博士学位期间发表的学术论文137-140
• 致谢140-141
• 个人简历141

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