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晶闸管不稳定运行及分岔混沌现象产生机理研究

谭平安  
【摘要】: 电力电子器件运行特性是较少被人关注的研究领域,对电力电子器件的研究目前主要集中在其外部特性如伏安特性和驱动保护应用技术上。然而,从导电机理分析,电力电子器件是一个十分复杂的非线性系统,驱动信号、电源电压大小和频率变化都会影响它的运行特性,直接关系到电力电子器件的有效利用和可靠运行。为此,本文以晶闸管这一最为常见的电力电子器件为研究对象,有针对性地应用半导体物理理论和非线性动力学理论,采用多学科交叉的分析和研究方法,系统地分析了晶闸管不稳定运行和由此导致的分岔和混沌现象,以期深入地探讨晶闸管工作特性和失效机理,为提高晶闸管运行的可靠性奠定研究基础。 本文的主要研究内容可论述如下: (1)研究了电力电子器件的导电机理,分析了电力电子器件的建模方法。指出宏模型较为简化,不能准确反映晶闸管的工作特性及瞬态内部物理量的变化;物理模型以器件的物理结构为基础,研究其载流子的瞬态分布等物理变量的演化过程,能较好的反映出晶闸管的导电特性。 (2)基于晶闸管双晶体管模型,分别研究了晶闸管在电源频率和门极驱动电压变化情况下的倍周期分岔和混沌行为,阐明了晶闸管门极与阴极间pn结偏置状态的差异是诱发晶闸管分岔和混沌现象的外在因素。 (3)提出了晶闸管分岔和混沌现象的时空动力学模型,分析了晶闸管时空系统的稳定性,给出了晶闸管不稳定的边界条件。并在此基础上系统研究了晶闸管分岔和混沌行为与其内部物理量演化的内在联系,指出了晶闸管的分岔和混沌行为并非只由负微分电导特性引起,还与外部电路参数和器件本身物理参数等因素有关。相对于双晶体管模型而言,晶闸管时空模型能很好地反映出器件的内部工作机理,该方法从一个全新的角度更加深入地认识了晶闸管发生分岔和混沌的物理机制。 (4)在单个晶闸管分岔混沌现象研究的基础上,建立晶闸管并联电路的时空模型,发现晶闸管并联电路也会出现分岔混沌行为,将导致并联电路工作的不同步,影响到晶闸管并联电路均流效果。 (5)为抑制和消除晶闸管分岔和混沌现象,提出了一种晶闸管延迟反馈驱动控制方法,并基于Floquet定理优化了控制参数,有效地控制了晶闸管中出现的混沌行为;为进一步抑制晶闸管中依然存在的周期尖峰电流,提出了融合相空间压缩法的改进延迟反馈驱动控制策略,根据相空间压缩原理对反馈信号进行相空间压缩,限制晶闸管的周期运动,从而很好地抑制了晶闸管的尖峰电流。 综上所述,本论文系统地分析了晶闸管分岔和混沌行为的发生机理,提出了晶闸管分岔和混沌的动力学分析方法,探索了晶闸管并联系统的分岔和混沌现象,改进了抑制晶闸管分岔和混沌行为的延迟反馈驱动控制方法,为晶闸管更加有效的应用提供了理论和实验基础。


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