脈衝功率器件及其套用第2版

《脈衝功率器件及其套用第2版》是2024年機械工業出版社出版的圖書。

基本介紹

• 中文名：脈衝功率器件及其套用第2版
• 作者：梁琳，余岳輝 
• 出版時間：2024年6月1日
• 出版社：機械工業出版社
• ISBN：9787111755050

內容簡介

脈衝功率技術在軍事和工業的眾多領域都有著廣泛套用。脈衝功率開關是脈衝功率系統的核心器件之一,由於半導體器件具有體積小、壽命長、可靠性高等優點,脈衝功率開關出現了半導體化的趨勢。本書首先對脈衝功率開關的發展歷程進行了總體概述,然後分別論述了電流控制型器件(具體包括GTO晶閘管、GCT和IGCT、非對稱晶閘管)和電壓控制型器件(具體包括功率MOSFET、IGBT、SITH)的結構、工作原理、特性參數、封裝技術、可靠性及其在脈衝功率系統中的套用,特別討論了幾種新型專門用於脈衝功率領域的半導體開關(包括反向開關電晶體、半導體斷路開關、漂移階躍恢復二極體、光電導開關和快速離化電晶體)的機理模型和實際運用等問題 ,論述了部分新型碳化矽基器件,最後闡述了脈衝功率套用技術。

圖書目錄

電力電子新技術系列圖書序言

第2版前言

第1版前言

第1章概論1

1.1脈衝功率技術的產生背景及套用1

1.2脈衝功率系統簡介2

1.2.1脈衝功率技術2

1.2.2脈衝功率系統的組成與分類4

1.3常用的傳統脈衝功率開關6

1.3.1觸發真空開關6

1.3.2偽火花開關7

1.3.3斷路開關7

1.4半導體器件在脈衝功率技術中的套用10

參考文獻13

第2章電流控制型脈衝功率器件14

2.1門極關斷(GTO)晶閘管14

2.1.1GTO的發展14

2.1.2GTO的結構14

2.1.3GTO的工作原理15

2.1.4GTO的特性最佳化20

2.1.5GTO的驅動電路和吸收電路22

2.1.6GTO的功耗23

2.1.7SiC GTO25

2.1.7.1浮空場環SiC GTO26

2.1.7.2多區域JTE終端SiC GTO28

2.1.7.3負斜角終端SiC GTO30

2.1.7.4電場阻斷緩衝層SiC GTO31

2.1.7.5採用MW-PCD法的對稱SiC GTO36

2.1.7.6SiC GTO的並聯運行37

2.1.8GTO的可靠性40

2.1.8.1單脈衝工況40

2.1.8.2重複頻率脈衝工況41

2.1.8.3寬脈衝工況43

2.1.8.4窄脈衝工況44

2.2門極換流晶閘管(GCT)和集成門極換流晶閘管(IGCT)49

2.2.1GCT的發展49

2.2.2GCT的結構和特點50

2.2.3IGCT的工作原理和開關波形54

2.2.4IGCT的驅動電路和開關特性55

2.2.5IGCT的特性改進58

2.2.6IGCT在直流斷路器中的套用59

2.3非對稱晶閘管66

2.3.1非對稱晶閘管概述66

2.3.2非對稱晶閘管的斷態電壓67

2.3.3非對稱晶閘管的最小長基區寬度WN(min)69

2.4脈衝晶閘管71

2.5雷射晶閘管76

2.6碳化矽晶閘管77

2.7電流控制型器件在脈衝功率系統中的套用79

參考文獻80

第3章電壓控制型脈衝功率器件86

3.1功率場效應電晶體(Power MOSFET)86

3.1.1功率MOSFET的基本原理及分類86

3.1.2功率MOSFET的基本結構87

3.1.3功率MOSFET的特性和主要電學參數90

3.1.4新型結構的功率MOSFET——“超結”93

3.1.5功率MOSFET的柵極驅動95

3.1.6功率MOSFET在脈衝功率系統中的套用97

3.1.6.1功率MOSFET在高壓脈衝調製器中的套用97

3.1.6.2功率MOSFET在兆赫茲脈衝功率發生器中的套用98

3.1.6.3利用MOSFET的高電壓固態加法脈衝發生器的模擬幅度調製100

3.1.6.4為細菌轉化提供的基於MOSFET的脈衝電源104

3.1.6.5與脈衝變壓器串聯的由功率MOSFET轉換的20kV/500A/100ns脈衝發生器107

3.1.6.6基於MOSFET的簡單高電壓納秒級脈衝電路109

3.1.7功率MOSFET的封裝115

3.1.8SiC MOSFET的可靠性116

3.1.8.1過電流重複頻率脈衝工況116

3.1.8.2窄脈衝工況119

3.1.8.3單脈衝雪崩工況120

3.1.9SiC MOSFET在脈衝功率系統中的套用122

3.1.9.1基於SiC MOSFET的Marx發生器122

3.1.9.2SiC MOSFET和Si MOSFET特性對比125

3.1.9.3SiC MOSFET在高重頻脈衝電路的套用129

3.2絕緣柵雙極型電晶體(IGBT)135

3.2.1概述135

3.2.2IGBT的結構和工作原理136

3.2.3IGBT的基本特性137

3.2.4IGBT的柵極驅動和保護145

3.2.5五代IGBT及第五代IGBT的3種新技術151

3.2.6IGBT的發展162

3.2.7IGBT在脈衝功率系統中的套用164

3.2.7.1改進的Marx發生器164

3.2.7.2串聯諧振充電電源169

3.2.7.3IGBT在脈衝變壓器驅動源中的套用172

3.2.7.4IGBT的串聯172

3.2.7.5基於IGBT的高壓脈衝電場發生器在雞肉中有效提高水的擴散率176

3.2.7.6基於IGBT的脈衝電場消毒發生器177

3.2.8IGBT的封裝技術178

3.2.9IGBT的可靠性182

3.2.10SiC IGBT183

3.2.10.1SiC IGBT的製備183

3.2.10.2SiC IGBT關鍵技術186

3.2.10.3SiC IGBT在脈衝功率領域的套用189

3.3靜電感應晶閘管(SITH)199

3.3.1SITH的基礎理論知識200

3.3.1.1器件結構200

3.3.1.2基本工作原理202

3.3.2靜態特性202

3.3.2.1正嚮導通特性202

3.3.2.2正向阻斷特性203

3.3.2.3電壓增益204

3.3.3動態特性205

3.3.3.1導通時間ton和關斷時間toff205

3.3.3.2du/dt207

3.3.3.3di/dt209

3.3.4驅動電路和損耗210

3.3.4.1驅動電路210

3.3.4.2損耗213

3.3.5SITH在脈衝功率系統中的套用214

3.3.5.1變壓變頻逆變器 215

3.3.5.2高質量電源裝置 216

3.3.5.3脈衝功率發生器217

3.3.5.4速調管調製器220

3.3.6SITH的封裝222

參考文獻222

第4章新型半導體脈衝功率器件229

4.1反向開關電晶體(RSD)230

4.1.1國內外研究概況230

4.1.2RSD的工作機理232

4.1.2.1藉助可控等離子層換流原理232

4.1.2.2RSD的結構和工作機理234

4.1.3RSD的換流特性240

4.1.3.1RSD導通與大電流特性240

4.1.3.2RSD的功率損耗特性243

4.1.3.3RSD的關斷特性247

4.1.3.4RSD的時間抖動特性253

4.1.4RSD的結構最佳化254

4.1.4.1薄發射極改善RSD導通特性255

4.1.4.2“薄基區-緩衝層-透明陽極”結構探索259

4.1.5RSD的關鍵工藝264

4.1.5.1基本工藝方案264

4.1.5.2陽極多元胞結構264

4.1.5.3陰極短路點的設計265

4.1.5.4新工藝技術研究268

4.1.5.5部分晶片測試記錄272

4.1.6基於RSD的脈衝發生電路273

4.1.6.1基於RSD的脈衝放電系統主迴路273

4.1.6.2120kA大功率脈衝發生電路的設計與實現276

4.1.6.3RSD在重複頻率脈衝工況下的套用281

4.1.6.4大功率RSD多單元並聯技術283

4.1.6.5高速長壽命化RSD晶片的級聯289

4.1.6.6基於RSD的微秒級脈衝發生器289

4.1.7SiC RSD293

4.1.7.1SiC RSD介紹293

4.1.7.2SiC RSD關鍵工藝295

4.1.7.3SiC RSD器件特性297

4.1.8Si RSD與SiC RSD對比300

4.1.9RSD的封裝302

4.1.10RSD的可靠性304

4.2半導體斷路開關(SOS)305

4.2.1SOS效應的發現305

4.2.2SOS模式的物理基礎306

4.2.2.1SOS的基本工作原理306

4.2.2.2SOS效應模式下的電子—空穴動力學309

4.2.3SOS二極體的特性及主要參數312

4.2.4基於SOS二極體的脈衝發生器317

4.2.4.1基於SOS的Marx發生器317

4.2.4.2基於SOS的納秒重複脈衝發生器321

4.2.4.3SOS脈衝發生器特性最佳化325

4.2.4.4SOS脈衝發生器實際套用329

4.2.5SOS的封裝332

4.3漂移階躍恢復二極體(DSRD)332

4.3.1DSRD工作原理333

4.3.1.1DSRD結構及電路原理333

4.3.1.2DSRD的超快速恢復原理334

4.3.1.3高壓下DSRD的電流電壓特性336

4.3.1.4DSRD在動態電路中的特性336

4.3.1.5基於DSRD的高壓脈衝實現340

4.3.2薄DSRD的結構及新材料的套用342

4.3.3DSRD的套用344

4.3.3.1電光開關驅動控制344

4.3.3.2脈衝發生器344

4.3.4SiC DSRD器件345

4.3.4.1SiC DSRD基本結構346

4.3.4.2SiC DSRD動態特性349

4.3.4.3SiC DSRD結構最佳化354

4.3.5DSRD模式與SOS模式對比355

4.3.6DSRD的封裝356

4.4光電導開關(PCSS)358

4.4.1PCSS的基本結構與工作原理358

4.4.1.1器件結構358

4.4.1.2工作原理360

4.4.2PCSS的工作模式361

4.4.2.1線性工作模式361

4.4.2.2非線性工作模式363

4.4.2.3兩種工作模式比較365

4.4.3PCSS中的衰減振盪365

4.4.4PCSS的擊穿特性與壽命366

4.4.5PCSS的性能改進367

4.4.6PCSS的套用367

4.4.7寬禁帶材料的光電導開關368

4.4.7.1SiC PCSS368

4.4.7.2GaN PCSS372

4.4.8PCSS的封裝373

4.4.9PCSS的可靠性376

4.5快速離化電晶體(FID)377

4.5.1FID器件及其工作原理377

4.5.1.1FID器件結構與工作原理377

4.5.1.2FID典型工作電路378

4.5.2延遲雪崩擊穿現象379

4.5.2.1延遲雪崩擊穿現象的發現379

4.5.2.2延遲雪崩擊穿現象的套用380

4.5.2.3延遲雪崩擊穿現象的物理基礎382

4.5.3FID器件的最佳化改進386

4.5.3.1DLD器件387

4.5.3.2SID器件387

4.5.4基於FID器件的脈衝發生裝置及套用388

參考文獻392

第5章脈衝功率套用技術404

5.1磁脈衝壓縮(MPC)技術404

5.1.1磁開關404

5.1.2磁脈衝壓縮原理404

5.1.3磁脈衝壓縮電路407

5.1.4磁開關設計409

5.2高電壓、大電流脈衝測量416

5.2.1大電流脈衝測量417

5.2.1.1分流器417

5.2.1.2羅氏線圈法419

5.2.1.3磁光式電流感測器423

5.2.2脈衝高壓測量425

5.2.2.1電阻分壓器426

5.2.2.2電容分壓器428

5.2.2.3阻容分壓器430

5.2.2.4微分積分測量系統431

5.3脈衝功率技術套用432

5.3.1脫硫脫硝處理432

5.3.1.1引言432

5.3.1.2實驗裝置432

5.3.1.3對同時脫硝脫硫處理的評價434

5.3.2氣體雷射器435

5.3.2.1TEA CO2雷射器435

5.3.2.2受激準分子雷射器435

5.3.2.3其他脈衝放電激勵氣體雷射器437

5.3.3X射線光源437

5.3.3.1X射線的種類和套用437

5.3.3.2Z箍縮放電型軟X射線源437

5.3.3.3光刻用的雷射等離子X射線源438

5.3.3.4雷射等離子X射線源用作X射線顯微鏡440

5.3.4紫外線光源440

5.3.4.1引言440

5.3.4.2表面放電型紫外線光源440

5.3.4.3箍縮型紫外線光源441

5.3.4.4其他脈衝紫外線光源441

5.3.5產生臭氧441

5.3.5.1引言441

5.3.5.2電暈放電的特徵442

5.3.5.3電暈放電法的研究現狀442

5.3.6工業廢棄物處理443

5.3.6.1引言443

5.3.6.2放射性污染物質的處理443

5.3.6.3脈衝功率系統444

5.3.7二英處理445

5.3.8微生物殺菌446

5.3.8.1引言446

5.3.8.2脈衝電場對微生物的影響446

5.3.8.3脈衝電場殺菌的研究447

5.3.8.4殺菌效果和機理的相關討論449

5.3.9水處理450

5.3.9.1引言450

5.3.9.2水中放電現象450

5.3.9.3水處理的套用450

5.3.9.4小結453

5.3.10岩石粉碎453

5.3.10.1引言453

5.3.10.2岩石內部的放電現象454

5.3.10.3破壞的特點454

5.3.11廢棄混凝土的循環利用454

5.3.11.1引言454

5.3.11.2利用高壓脈衝進行破碎分離實驗454

5.3.12電磁加速455

5.3.12.1引言455

5.3.12.2電磁加速方法456

5.3.12.3電磁加速的研究和套用456

5.3.12.4電磁加速的研究現狀457

5.3.13慣性核聚變457

5.3.13.1引言457

5.3.13.2關於慣性核聚變458

5.3.13.3放射線控制458

5.3.13.4Z箍縮實驗458

5.3.13.5被照射目標設計459

5.3.14產生微波460

5.3.14.1引言460

5.3.14.2遲波電子回旋加速微波激射器和零磁場後進波振盪器的實驗460

5.3.14.3小結461

5.3.15新材料的開發461

5.3.16離子注入462

5.3.16.1引言462

5.3.16.2金屬離子注入原理462

5.3.16.3金屬離子注入的特徵462

5.3.16.4裝置組成462

5.3.16.5電源464

5.3.17NO的生成464

5.3.17.1引言464

5.3.17.2醫療中NO的吸入療法464

5.3.17.3實驗裝置和實驗方法465

5.3.17.4實驗結果465

5.3.18金屬塗層塑膠處理466

5.3.18.1引言466

5.3.18.2實驗裝置466

5.3.18.3結果分析467

5.3.19生物與醫學467

5.3.19.1引言467

5.3.19.2基因表達468

5.3.19.3細胞特性468

5.3.19.4摺疊蛋白反應470

5.3.20電磁脈衝成形471

5.3.20.1引言471

5.3.20.2基本原理472

5.3.20.3效果分析473

5.3.20.4今後的研究方向475

5.3.21電磁脈衝焊接476

5.3.21.1引言476

5.3.21.2實驗裝置476

5.3.21.3效果分析477

5.3.21.4今後研究方向478

5.3.22電磁軌道炮478

5.3.22.1引言478

5.3.22.2裝置原理479

5.3.22.3發展趨勢479

5.3.23電磁推射480

5.3.23.1引言480

5.3.23.2主要類別481

5.3.23.3發展趨勢481

5.3.24電磁彈射481

5.3.24.1引言481

5.3.24.2構成與原理482

5.3.24.3優勢482

5.3.24.4發展趨勢483

5.3.24.5推廣套用483

參考文獻483