脈沖功率器件及其應用（第2版）

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脈沖功率技術的產(chǎn)生背景及應用1
1.2脈沖功率系統(tǒng)簡介2
1.2.1脈沖功率技術2
1.2.2脈沖功率系統(tǒng)的組成與分類4
1.3常用的傳統(tǒng)脈沖功率開關6
1.3.1觸發(fā)真空開關6
1.3.2偽火花開關7
1.3.3斷路開關7
1.4半導體器件在脈沖功率技術中的應用10
參考文獻13
第2章電流控制型脈沖功率器件14
2.1門極關斷(GTO)晶閘管14
2.1.1GTO的發(fā)展14
2.1.2GTO的結構14
2.1.3GTO的工作原理15
2.1.4GTO的特性優(yōu)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(huán)SiC GTO26
2.1.7.2多區(qū)域JTE終端SiC GTO28
2.1.7.3負斜角終端SiC GTO30
2.1.7.4電場阻斷緩沖層SiC GTO31
2.1.7.5采用MW-PCD法的對稱SiC GTO36
2.1.7.6SiC GTO的并聯(lián)運行37
2.1.8GTO的可靠性40
2.1.8.1單脈沖工況40
2.1.8.2重復頻率脈沖工況41
2.1.8.3寬脈沖工況43
2.1.8.4窄脈沖工況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(fā)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在直流斷路器中的應用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(tài)電壓67
2.3.3非對稱晶閘管的最小長基區(qū)寬度WN(min)69
2.4脈沖晶閘管71
2.5激光晶閘管76
2.6碳化硅晶閘管77
2.7電流控制型器件在脈沖功率系統(tǒng)中的應用79
參考文獻80
第3章電壓控制型脈沖功率器件86
3.1功率場效應晶體管(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(shù)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在脈沖功率系統(tǒng)中的應用97
3.1.6.1功率MOSFET在高壓脈沖調制器中的應用97
3.1.6.2功率MOSFET在兆赫茲脈沖功率發(fā)生器中的應用98
3.1.6.3利用MOSFET的高電壓固態(tài)加法脈沖發(fā)生器的模擬幅度調制100
3.1.6.4為細菌轉化提供的基于MOSFET的脈沖電源104
3.1.6.5與脈沖變壓器串聯(lián)的由功率MOSFET轉換的20kV/500A/100ns脈沖發(fā)生器107
3.1.6.6基于MOSFET的簡單高電壓納秒級脈沖電路109
3.1.7功率MOSFET的封裝115
3.1.8SiC MOSFET的可靠性116
3.1.8.1過電流重復頻率脈沖工況116
3.1.8.2窄脈沖工況119
3.1.8.3單脈沖雪崩工況120
3.1.9SiC MOSFET在脈沖功率系統(tǒng)中的應用122
3.1.9.1基于SiC MOSFET的Marx發(fā)生器122
3.1.9.2SiC MOSFET和Si MOSFET特性對比125
3.1.9.3SiC MOSFET在高重頻脈沖電路的應用129
3.2絕緣柵雙極型晶體管(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(fā)展162
3.2.7IGBT在脈沖功率系統(tǒng)中的應用164
3.2.7.1改進的Marx發(fā)生器164
3.2.7.2串聯(lián)諧振充電電源169
3.2.7.3IGBT在脈沖變壓器驅動源中的應用172
3.2.7.4IGBT的串聯(lián)172
3.2.7.5基于IGBT的高壓脈沖電場發(fā)生器在雞肉中有效提高水的擴散率176
3.2.7.6基于IGBT的脈沖電場消毒發(fā)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的制備183
3.2.10.2SiC IGBT關鍵技術186
3.2.10.3SiC IGBT在脈沖功率領域的應用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(tài)特性202
3.3.2.1正向導通特性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(tài)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在脈沖功率系統(tǒng)中的應用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脈沖功率發(fā)生器217
3.3.5.4速調管調制器220
3.3.6SITH的封裝222
參考文獻222
第4章新型半導體脈沖功率器件229
4.1反向開關晶體管(RSD)230
4.1.1國內(nèi)外研究概況230
4.1.2RSD的工作機理232
4.1.2.1借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的結構優(yōu)化254
4.1.4.1薄發(fā)射極改善RSD導通特性255
4.1.4.2“薄基區(qū)-緩沖層-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部分芯片測試記錄272
4.1.6基于RSD的脈沖發(fā)生電路273
4.1.6.1基于RSD的脈沖放電系統(tǒng)主回路273
4.1.6.2120kA大功率脈沖發(fā)生電路的設計與實現(xiàn)276
4.1.6.3RSD在重復頻率脈沖工況下的應用281
4.1.6.4大功率RSD多單元并聯(lián)技術283
4.1.6.5高速長壽命化RSD芯片的級聯(lián)289
4.1.6.6基于RSD的微秒級脈沖發(fā)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(fā)現(xiàn)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二極管的特性及主要參數(shù)312
4.2.4基于SOS二極管的脈沖發(fā)生器317
4.2.4.1基于SOS的Marx發(fā)生器317
4.2.4.2基于SOS的納秒重復脈沖發(fā)生器321
4.2.4.3SOS脈沖發(fā)生器特性優(yōu)化325
4.2.4.4SOS脈沖發(fā)生器實際應用329
4.2.5SOS的封裝332
4.3漂移階躍恢復二極管(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(tài)電路中的特性336
4.3.1.5基于DSRD的高壓脈沖實現(xiàn)340
4.3.2薄DSRD的結構及新材料的應用342
4.3.3DSRD的應用344
4.3.3.1電光開關驅動控制344
4.3.3.2脈沖發(fā)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(tài)特性349
4.3.4.3SiC DSRD結構優(yōu)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中的衰減振蕩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的應用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快速離化晶體管(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(xiàn)象379
4.5.2.1延遲雪崩擊穿現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)379
4.5.2.2延遲雪崩擊穿現(xiàn)象的應用380
4.5.2.3延遲雪崩擊穿現(xiàn)象的物理基礎382
4.5.3FID器件的優(yōu)化改進386
4.5.3.1DLD器件387
4.5.3.2SID器件387
4.5.4基于FID器件的脈沖發(fā)生裝置及應用388
參考文獻392
第5章脈沖功率應用技術404
5.1磁脈沖壓縮(MPC)技術404
5.1.1磁開關404
5.1.2磁脈沖壓縮原理404
5.1.3磁脈沖壓縮電路407
5.1.4磁開關設計409
5.2高電壓、大電流脈沖測量416
5.2.1大電流脈沖測量417
5.2.1.1分流器417
5.2.1.2羅氏線圈法419
5.2.1.3磁光式電流傳感器423
5.2.2脈沖高壓測量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(tǒng)431
5.3脈沖功率技術應用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氣體激光器435
5.3.2.1TEA CO2激光器435
5.3.2.2受激準分子激光器435
5.3.2.3其他脈沖放電激勵氣體激光器437
5.3.3X射線光源437
5.3.3.1X射線的種類和應用437
5.3.3.2Z箍縮放電型軟X射線源437
5.3.3.3光刻用的激光等離子X射線源438
5.3.3.4激光等離子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其他脈沖紫外線光源441
5.3.5產(chǎn)生臭氧441
5.3.5.1引言441
5.3.5.2電暈放電的特征442
5.3.5.3電暈放電法的研究現(xiàn)狀442
5.3.6工業(yè)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脈沖功率系統(tǒng)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脈沖電場對微生物的影響446
5.3.8.3脈沖電場殺菌的研究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(xiàn)象450
5.3.9.3水處理的應用450
5.3.9.4小結453
5.3.10巖石粉碎453
5.3.10.1引言453
5.3.10.2巖石內(nèi)部的放電現(xiàn)象454
5.3.10.3破壞的特點454
5.3.11廢棄混凝土的循環(huán)利用454
5.3.11.1引言454
5.3.11.2利用高壓脈沖進行破碎分離實驗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電磁加速的研究和應用456
5.3.12.4電磁加速的研究現(xiàn)狀457
5.3.13慣性核聚變457
5.3.13.1引言457
5.3.13.2關于慣性核聚變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(chǎn)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后進波振蕩器的實驗460
5.3.14.3小結461
5.3.15新材料的開發(fā)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金屬離子注入的特征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(yī)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金屬涂層塑料處理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(yī)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折疊蛋白反應470
5.3.20電磁脈沖成形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今后的研究方向475
5.3.21電磁脈沖焊接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今后研究方向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(fā)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(fā)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(yōu)勢482
5.3.24.4發(fā)展趨勢483
5.3.24.5推廣應用483
參考文獻483