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功率MOSFET在大功率电子开关中的应用研究

作　者: 徐长杰
导　师: 王晓纯；铁军
学　校: 北方工业大学
专　业: 机械电子工程
关键词: 功率MOSFET 导通特性分流特性降压特性均流特性
分类号: TM564
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

大型预焙铝电解槽是目前国内外铝电解生产过程中的主要设备,其停槽和开槽的过程都是通过人工方法实现的。不停电停开电解槽的关键是要在巨大的系列电流的条件下,实现短路块安全的闭合或打开。安全地打开或闭合短路块的前提是电流转移的能量要小。本文提出用大功率电子开关与机械开关相结合的新技术实现大电流的分流。大功率电子开关的作用就是实现在系列不停电的情况下,能够把与其并联的机械开关两端的电压从4V左右降至1V以下,从而使机械开关在大电流条件下闭合或断开的过程中不会产生严重的打火现象,即保证了机械开关比较安全的闭合或打开,最终通过控制系统的控制使机械开关和大功率电子开关的相互协作以实现铝电解槽不停电停开槽操作的安全进行。本文根据实际应用的要求,选择了IXYS公司的VMO 1200-01F型功率MOSFET作为大功率电子开关的设计基础。并对功率MOSFET的基本工作原理、主要参数以及基本特性进行分析,研究了功率MOSFET主要参数的数学模型以及主要参数之间的相互关系,为它在实际工作环境中的应用奠定了理论基础。本文测试了VMO 1200-01F的部分主要参数和特性曲线,并对其变化规律进行了分析研究。在单管导通特性测试完成的基础上,又研究了VMO 1200-01F在特定条件下的单管并联、双管并联以及四管并联时的分流降压特性。从而得出了可以根据需要,通过适当增加并联功率MOSFET的数量来实现特定的降压目的。另外,还模拟了电子开关的降压特性,从而证明了可以通过适当的增加并联功率MOSFET的数量来实现把机械开关两端的电压降至1V以下的目的。实验表明当多个功率MOSFET并联时最重要的是均流,本文运用PSpice模拟仿真软件对两个并联功率MOSFET的分流均衡特性进行了模拟仿真研究。从而得出了在特定的单脉冲电压条件下,有四个参数对并联功率MOSFET的均流特性有较大的影响。在对VMO 1200-01F单管导通特性研究、多管并联分流降压特性研究以及两管并联模拟仿真分析的基础上,设计了一个由60个功率MOSFET并联组成的大功率电子开关,实现使大功率电子开关两端并联的机械开关的电压降至1V以下,并在实验室建设了DC20kA大电流实验平台。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-10
1 引言  10-21
  1.1 课题的研究背景及意义  10-12
  1.2 铝电解槽停槽和开槽的工作原理  12-15
  1.3 铝电解槽不停电停开槽装置的国内外研究及应用现状  15-17
    1.3.1 国内研究及应用现状  15-16
    1.3.2 国外研究及应用现状  16-17
  1.4 我校提出的大功率铝电解槽旁路开关的基本设计思路  17-19
  1.5 课题来源及主要研究内容  19-21
    1.5.1 课题来源  19
    1.5.2 主要研究内容  19-21
2 大功率电子开关中半导体器件类型的选取  21-29
  2.1 可控开关的类型及基本特点  21-24
  2.2 功率MOSFET的基本工作原理  24-25
  2.3 功率MOSFET的静态特性  25-28
    2.3.1 输出特性  26-27
    2.3.2 转移特性  27-28
  2.4 本章小结  28-29
3 功率MOSFET导通特性和分流降压特性的实验测试研究  29-61
  3.1 实验测试研究的目的  29
  3.2 功率MOSFET型号的选取  29-31
  3.3 功率MOSFET单管导通特性实验测试研究  31-41
    3.3.1 单管导通特性实验测试的方法  31
    3.3.2 实验装置与元器件  31-33
    3.3.3 开启电压的实验测试  33-34
    3.3.4 导通电阻的实验测试  34-37
    3.3.5 转移特性曲线的实验测试  37-38
    3.3.6 输出特性曲线的实验测试  38-40
    3.3.7 最佳控制电压的选择  40-41
  3.4 功率MOSFET并联分流降压特性研究  41-50
    3.4.1 并联分流降压特性研究的方法  41-42
    3.4.2 单管并联分流降压特性研究  42-46
    3.4.3 双管并联分流降压特性研究  46-48
    3.4.4 四管并联分流降压特性研究  48-50
  3.5 模拟电子开关降压特性的研究  50-56
    3.5.1 模拟停开槽过程的基本流程  51
    3.5.2 模拟电子开关降压特性的实验方法  51-52
    3.5.3 模拟电子开关降压特性的研究  52-56
  3.6 功率MOSFET的保护  56-59
  3.7 本章小结  59-61
4 功率MOSFET并联均流特性的PSPICE仿真研究  61-73
  4.1 静态均流特性  61
  4.2 动态均流特性  61-62
  4.3 影响并联均流的因素  62
  4.4 各参数对并联均流影响的PSPICE仿真分析  62-71
    4.4.1 管子自身参数对并联均流的影响  64-67
    4.4.2 栅极电路参数对并联均流的影响  67-69
    4.4.3 漏源极电路参数对并联均流的影响  69-70
    4.4.4 改善并联不均流的措施  70-71
  4.5 本章小结  71-73
5 大功率电子开关的分析与设计  73-79
  5.1 20kA实验装置和环境  73-75
  5.2 大功率电子开关的分析  75-76
  5.3 大功率电子开关的设计  76-78
  5.4 本章小结  78-79
6 结论  79-81
参考文献  81-85
在学研究成果  85-86
致谢  86

功率MOSFET在大功率电子开关中的应用研究

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