本文關(guān)鍵詞：開關(guān)電源多元質(zhì)量穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

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【摘要】：隨著可靠性要求越來越高,開關(guān)電源的質(zhì)量一致性問題已成為制約我國電子系統(tǒng)可靠性和壽命提升的關(guān)鍵因素。因此,如何提升批量產(chǎn)品的質(zhì)量一致性,降低全壽命周期的個(gè)體差異,已成為開關(guān)電源廠家亟待解決的技術(shù)難題。目前,開關(guān)電源仿真較少考慮功率半導(dǎo)體器件的電熱耦合效應(yīng),仿真精度不高,且無可以直接用于開關(guān)電源穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)的近似建模方法。另外,現(xiàn)有方法只針對(duì)初始質(zhì)量特性進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),沒有考慮退化過程的分散性,無法根本解決開關(guān)電源產(chǎn)品全壽命周期的質(zhì)量一致性問題。本文在綜合分析行業(yè)需求以及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上,研究開關(guān)電源多元質(zhì)量穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。通過優(yōu)化關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)及其容差,合理分配元器件的質(zhì)量要求,降低開關(guān)電源輸出特性和關(guān)鍵元器件應(yīng)力對(duì)各種不確定因素的敏感性,提高產(chǎn)品固有質(zhì)量。同時(shí),從設(shè)計(jì)角度為生產(chǎn)過程關(guān)鍵工序的定量化控制提供一定的理論指導(dǎo)。首先,研究基于i SIGHT的開關(guān)電源電熱耦合建模與仿真分析方法。建立高頻變壓器的等效電路模型,并采用有限元仿真提取模型參數(shù);分析功率半導(dǎo)體器件的電熱耦合效應(yīng),明確其特性參數(shù)與溫度的關(guān)系,建立功率肖特基二極管和MOSFET的電熱耦合仿真模型。在此基礎(chǔ)上,以某開關(guān)電源為例,分別建立電路仿真模型和穩(wěn)態(tài)熱場仿真模型,并采用i SIGHT平臺(tái)對(duì)電、熱仿真過程進(jìn)行集成,準(zhǔn)確描述開關(guān)電源的電熱特性與下位特性參數(shù)的關(guān)系,為后續(xù)研究奠定基礎(chǔ)。其次,針對(duì)開關(guān)電源多元質(zhì)量的波動(dòng),研究基于序貫近似建模的穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)方法�；谡辉囼�(yàn)的靈敏度分析,確定導(dǎo)致多元質(zhì)量波動(dòng)的關(guān)鍵因素;對(duì)關(guān)鍵因素進(jìn)行最優(yōu)拉丁超立方抽樣,構(gòu)建試驗(yàn)樣本;以均方根誤差RMSE(Relative Mean Square Error)和復(fù)相關(guān)系數(shù)R2為評(píng)價(jià)指標(biāo),分析徑向基函數(shù)對(duì)開關(guān)電源多元質(zhì)量特性近似建模的適用性,確定各質(zhì)量特性的最佳基函數(shù)和寬度系數(shù)c,并通過交叉驗(yàn)證采樣策略提高近似模型的全局精度。在此基礎(chǔ)上,研究基于近似模型的多目標(biāo)穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,同步求得關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)的均值和容差,以給出提高開關(guān)電源初始質(zhì)量一致性的最佳設(shè)計(jì)方案。然后,根據(jù)開關(guān)電源全壽命周期質(zhì)量穩(wěn)健性分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)的需要,對(duì)基于敏感參數(shù)的元器件性能退化建模技術(shù)展開研究。在判別出元器件敏感參數(shù)的基礎(chǔ)上,分別針對(duì)線性和非線性退化情況,研究相應(yīng)的退化建模方法。針對(duì)具有線性退化路徑的鋁電解電容,提出考慮測量誤差的隨機(jī)效應(yīng)退化建模方法,模型參數(shù)則通過EM(Expectation Maximization)迭代的極大似然估計(jì)求得。本文以ESR(Equivalent Series Resistance)和電容值C為敏感參數(shù)建立鋁電解電容的退化模型。針對(duì)具有非線性退化路徑的功率MOSFET,提出基于非線性Wiener過程的退化建模方法,并采用MCMC(Markov Chain Monte Carlo)仿真對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行估計(jì)。本文采用該方法建立功率MOSFET閾值電壓和溝道電阻的退化模型。最后,將電熱耦合仿真模型與元器件性能退化模型結(jié)合,研究考慮性能退化的多元質(zhì)量穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。建立開關(guān)電源的時(shí)變系統(tǒng)連續(xù)狀態(tài)模型和時(shí)變極限性能狀態(tài)方程,研究基于集合理論的性能可靠度計(jì)算方法。根據(jù)性能可靠度的計(jì)算結(jié)果,針對(duì)開關(guān)電源的輸出特性,建立基于壽命周期質(zhì)量損失準(zhǔn)則的穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)模型;針對(duì)開關(guān)電源的關(guān)鍵元器件,建立基于退化失效時(shí)間的穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)模型。通過優(yōu)化設(shè)計(jì)變量及其容差改善產(chǎn)品在壽命周期內(nèi)的性能穩(wěn)健性,提高開關(guān)電源性能退化過程的一致性。本研究對(duì)提高國產(chǎn)開關(guān)電源的質(zhì)量一致性設(shè)計(jì)、分析與優(yōu)化能力具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值,其關(guān)鍵技術(shù)與研究思路也可為其他電子系統(tǒng)的質(zhì)量改進(jìn)工作提供借鑒。
【關(guān)鍵詞】：開關(guān)電源 穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì) 電熱耦合仿真 性能退化 近似建模
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN86
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-14
• 第1章 緒論14-28
• 1.1 課題的研究背景14-15
• 1.2 課題研究的目的及意義15-16
• 1.3 課題的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀分析16-25
• 1.3.1 開關(guān)電源質(zhì)量設(shè)計(jì)技術(shù)研究現(xiàn)狀16-18
• 1.3.2 電力電子系統(tǒng)電熱耦合仿真技術(shù)研究現(xiàn)狀18-19
• 1.3.3 性能退化建模技術(shù)的研究現(xiàn)狀19-22
• 1.3.4 產(chǎn)品質(zhì)量一致性穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)的研究現(xiàn)狀22-24
• 1.3.5 存在的主要問題24-25
• 1.4 本文的主要研究內(nèi)容25-28
• 第2章 開關(guān)電源的電熱耦合建模與仿真分析28-52
• 2.1 引言28
• 2.2 開關(guān)電源電熱耦合仿真策略28-30
• 2.3 高頻變壓器等效模型及分布參數(shù)提取30-32
• 2.3.1 高頻變壓器等效電路模型30-31
• 2.3.2 高頻變壓器分布參數(shù)提取31-32
• 2.4 功率半導(dǎo)體器件的電熱耦合模型32-43
• 2.4.1 功率肖特基二極管電熱耦合模型33-39
• 2.4.2 功率MOSFET的電熱耦合模型39-43
• 2.5 基于i SIGHT平臺(tái)的開關(guān)電源電熱耦合仿真43-47
• 2.5.1 開關(guān)電源的電路仿真模型43-45
• 2.5.2 開關(guān)電源的溫度場仿真模型45-46
• 2.5.3 利用i SIGHT實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源電熱仿真集成46-47
• 2.6 電熱耦合仿真的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證47-51
• 2.6.1 電學(xué)特性仿真結(jié)果驗(yàn)證48-49
• 2.6.2 熱學(xué)特性仿真結(jié)果驗(yàn)證49-51
• 2.7 本章小結(jié)51-52
• 第3章 基于序貫近似建模的多元質(zhì)量穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)52-80
• 3.1 引言52
• 3.2 確定影響初始質(zhì)量波動(dòng)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)目標(biāo)52-54
• 3.3 隱式系統(tǒng)的多元質(zhì)量靈敏度分析54-58
• 3.3.1 隱式系統(tǒng)全局靈敏度54-55
• 3.3.2 基于正交試驗(yàn)的多元質(zhì)量靈敏度分析55-58
• 3.4 多元質(zhì)量特性的序貫近似建模58-70
• 3.4.1 試驗(yàn)樣本的構(gòu)建59-61
• 3.4.2 徑向基函數(shù)近似模型的適用性分析61-66
• 3.4.3 基于交互驗(yàn)證采樣策略的序貫近似建模66-70
• 3.5 基于近似模型的多元質(zhì)量穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)70-78
• 3.5.1 多元質(zhì)量穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)則70-71
• 3.5.2 多元質(zhì)量穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)建模71-73
• 3.5.3 多元質(zhì)量穩(wěn)健尋優(yōu)策略73-76
• 3.5.4 優(yōu)化結(jié)果實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證76-78
• 3.6 本章小結(jié)78-80
• 第4章 基于敏感參數(shù)的元器件性能退化建模80-100
• 4.1 引言80
• 4.2 元器件敏感參數(shù)判別及退化建模思路80-83
• 4.2.1 退化敏感參數(shù)的判別原則80-82
• 4.2.2 性能退化建模思路82-83
• 4.3 基于隨機(jī)效應(yīng)的性能退化建模83-92
• 4.3.1 考慮測量誤差的隨機(jī)效應(yīng)退化模型83-86
• 4.3.2 基于EM迭代的模型參數(shù)估計(jì)86-88
• 4.3.3 鋁電解電容的性能退化模型88-92
• 4.4 基于非線性Wiener過程的性能退化建模92-99
• 4.4.1 非線性Wiener過程性能退化模型92-94
• 4.4.2 基于MCMC仿真的模型參數(shù)估計(jì)94-95
• 4.4.3 功率MOSFET的性能退化模型95-99
• 4.5 本章小結(jié)99-100
• 第5章 考慮性能退化的多元質(zhì)量穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)100-123
• 5.1 引言100
• 5.2 時(shí)變系統(tǒng)性能可靠性預(yù)計(jì)100-106
• 5.2.1 時(shí)變系統(tǒng)連續(xù)狀態(tài)模型101-103
• 5.2.2 時(shí)變極限性能狀態(tài)方程103-104
• 5.2.3 時(shí)變系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能可靠度計(jì)算104-106
• 5.3 針對(duì)開關(guān)電源輸出特性退化的穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)106-114
• 5.3.1 壽命周期質(zhì)量損失準(zhǔn)則107-109
• 5.3.2 壽命周期質(zhì)量損失建模109-110
• 5.3.3 基于壽命周期質(zhì)量損失的穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)建模110-111
• 5.3.4 輸出電流退化的實(shí)例驗(yàn)證111-114
• 5.4 針對(duì)開關(guān)電源關(guān)鍵元器件退化的穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)114-121
• 5.4.1 工作應(yīng)力對(duì)元器件退化失效的影響115-116
• 5.4.2 基于退化失效時(shí)間的穩(wěn)健優(yōu)化設(shè)計(jì)建模116-117
• 5.4.3 功率MOSFET退化的實(shí)例驗(yàn)證117-121
• 5.5 本章小結(jié)121-123
• 結(jié)論123-125
• 參考文獻(xiàn)125-137
• 攻讀博士學(xué)位期間發(fā)表的學(xué)術(shù)論文137-140
• 致謝140-141
• 個(gè)人簡歷141

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