脉冲功率技术在军事和工业的众多领域都有着广泛应用。脉冲功率开关是脉冲功率系统的核心器件之一,由于半导体器件具有体积小、寿命长、可靠性高等优点,脉冲功率开关出现了半导体化的趋势。本书首先对脉冲功率开关的发展历程进行了总体概述,然后分别论述了电流控制型器件(具体包括GTO晶闸管、GCT和IGCT、非对称晶闸管)和电压控制型器件(具体包括功率MOSFET、IGBT、SITH)的结构、工作原理、特性参数、封装技术、可靠性及其在脉冲功率系统中的应用,特别讨论了几种新型专门用于脉冲功率领域的半导体开关(包括反向开关晶体管、半导体断路开关、漂移阶跃恢复二极管、光电导开关和快速离化晶体管)的机理模型和实际运用等问题 ,论述了部分新型碳化硅基器件,最后阐述了脉冲功率应用技术。

电力电子新技术系列图书序言

第2版前言

第1版前言

第1章概论1

1.1脉冲功率技术的产生背景及应用1

1.2脉冲功率系统简介2

1.2.1脉冲功率技术2

1.2.2脉冲功率系统的组成与分类4

1.3常用的传统脉冲功率开关6

1.3.1触发真空开关6

1.3.2伪火花开关7

1.3.3断路开关7

1.4半导体器件在脉冲功率技术中的应用10

参考文献13

第2章电流控制型脉冲功率器件14

2.1门极关断(GTO)晶闸管14

2.1.1GTO的发展14

2.1.2GTO的结构14

2.1.3GTO的工作原理15

2.1.4GTO的特性优化20

2.1.5GTO的驱动电路和吸收电路22

2.1.6GTO的功耗23

2.1.7SiC GTO25

2.1.7.1浮空场环SiC GTO26

2.1.7.2多区域JTE终端SiC GTO28

2.1.7.3负斜角终端SiC GTO30

2.1.7.4电场阻断缓冲层SiC GTO31

2.1.7.5采用MW-PCD法的对称SiC GTO36

2.1.7.6SiC GTO的并联运行37

2.1.8GTO的可靠性40

2.1.8.1单脉冲工况40

2.1.8.2重复频率脉冲工况41

2.1.8.3宽脉冲工况43

2.1.8.4窄脉冲工况44

2.2门极换流晶闸管(GCT)和集成门极换流晶闸管(IGCT)49

2.2.1GCT的发展49

2.2.2GCT的结构和特点50

2.2.3IGCT的工作原理和开关波形54

2.2.4IGCT的驱动电路和开关特性55

2.2.5IGCT的特性改进58

2.2.6IGCT在直流断路器中的应用59

2.3非对称晶闸管66

2.3.1非对称晶闸管概述66

2.3.2非对称晶闸管的断态电压67

2.3.3非对称晶闸管的最小长基区宽度WN(min)69

2.4脉冲晶闸管71

2.5激光晶闸管76

2.6碳化硅晶闸管77

2.7电流控制型器件在脉冲功率系统中的应用79

参考文献80

第3章电压控制型脉冲功率器件86

3.1功率场效应晶体管(Power MOSFET)86

3.1.1功率MOSFET的基本原理及分类86

3.1.2功率MOSFET的基本结构87

3.1.3功率MOSFET的特性和主要电学参数90

3.1.4新型结构的功率MOSFET——“超结”93

3.1.5功率MOSFET的栅极驱动95

3.1.6功率MOSFET在脉冲功率系统中的应用97

3.1.6.1功率MOSFET在高压脉冲调制器中的应用97

3.1.6.2功率MOSFET在兆赫兹脉冲功率发生器中的应用98

3.1.6.3利用MOSFET的高电压固态加法脉冲发生器的模拟幅度调制100

3.1.6.4为细菌转化提供的基于MOSFET的脉冲电源104

3.1.6.5与脉冲变压器串联的由功率MOSFET转换的20kV/500A/100ns脉冲发生器107

3.1.6.6基于MOSFET的简单高电压纳秒级脉冲电路109

3.1.7功率MOSFET的封装115

3.1.8SiC MOSFET的可靠性116

3.1.8.1过电流重复频率脉冲工况116

3.1.8.2窄脉冲工况119

3.1.8.3单脉冲雪崩工况120

3.1.9SiC MOSFET在脉冲功率系统中的应用122

3.1.9.1基于SiC MOSFET的Marx发生器122

3.1.9.2SiC MOSFET和Si MOSFET特性对比125

3.1.9.3SiC MOSFET在高重频脉冲电路的应用129

3.2绝缘栅双极型晶体管(IGBT)135

3.2.1概述135

3.2.2IGBT的结构和工作原理136

3.2.3IGBT的基本特性137

3.2.4IGBT的栅极驱动和保护145

3.2.5五代IGBT及第五代IGBT的3种新技术151

3.2.6IGBT的发展162

3.2.7IGBT在脉冲功率系统中的应用164

3.2.7.1改进的Marx发生器164

3.2.7.2串联谐振充电电源169

3.2.7.3IGBT在脉冲变压器驱动源中的应用172

3.2.7.4IGBT的串联172

3.2.7.5基于IGBT的高压脉冲电场发生器在鸡肉中有效提高水的扩散率176

3.2.7.6基于IGBT的脉冲电场消毒发生器177

3.2.8IGBT的封装技术178

3.2.9IGBT的可靠性182

3.2.10SiC IGBT183

3.2.10.1SiC IGBT的制备183

3.2.10.2SiC IGBT关键技术186

3.2.10.3SiC IGBT在脉冲功率领域的应用189

3.3静电感应晶闸管(SITH)199

3.3.1SITH的基础理论知识200

3.3.1.1器件结构200

3.3.1.2基本工作原理202

3.3.2静态特性202

3.3.2.1正向导通特性202

3.3.2.2正向阻断特性203

3.3.2.3电压增益204

3.3.3动态特性205

3.3.3.1导通时间ton和关断时间toff205

3.3.3.2du/dt207

3.3.3.3di/dt209

3.3.4驱动电路和损耗210

3.3.4.1驱动电路210

3.3.4.2损耗213

3.3.5SITH在脉冲功率系统中的应用214

3.3.5.1变压变频逆变器 215

3.3.5.2高质量电源装置 216

3.3.5.3脉冲功率发生器217

3.3.5.4速调管调制器220

3.3.6SITH的封装222

参考文献222

第4章新型半导体脉冲功率器件229

4.1反向开关晶体管(RSD)230

4.1.1国内外研究概况230

4.1.2RSD的工作机理232

4.1.2.1借助可控等离子层换流原理232

4.1.2.2RSD的结构和工作机理234

4.1.3RSD的换流特性240

4.1.3.1RSD导通与大电流特性240

4.1.3.2RSD的功率损耗特性243

4.1.3.3RSD的关断特性247

4.1.3.4RSD的时间抖动特性253

4.1.4RSD的结构优化254

4.1.4.1薄发射极改善RSD导通特性255

4.1.4.2“薄基区-缓冲层-透明阳极”结构探索259

4.1.5RSD的关键工艺264

4.1.5.1基本工艺方案264

4.1.5.2阳极多元胞结构264

4.1.5.3阴极短路点的设计265

4.1.5.4新工艺技术研究268

4.1.5.5部分芯片测试记录272

4.1.6基于RSD的脉冲发生电路273

4.1.6.1基于RSD的脉冲放电系统主回路273

4.1.6.2120kA大功率脉冲发生电路的设计与实现276

4.1.6.3RSD在重复频率脉冲工况下的应用281

4.1.6.4大功率RSD多单元并联技术283

4.1.6.5高速长寿命化RSD芯片的级联289

4.1.6.6基于RSD的微秒级脉冲发生器289

4.1.7SiC RSD293

4.1.7.1SiC RSD介绍293

4.1.7.2SiC RSD关键工艺295

4.1.7.3SiC RSD器件特性297

4.1.8Si RSD与SiC RSD对比300

4.1.9RSD的封装302

4.1.10RSD的可靠性304

4.2半导体断路开关(SOS)305

4.2.1SOS效应的发现305

4.2.2SOS模式的物理基础306

4.2.2.1SOS的基本工作原理306

4.2.2.2SOS效应模式下的电子—空穴动力学309

4.2.3SOS二极管的特性及主要参数312

4.2.4基于SOS二极管的脉冲发生器317

4.2.4.1基于SOS的Marx发生器317

4.2.4.2基于SOS的纳秒重复脉冲发生器321

4.2.4.3SOS脉冲发生器特性优化325

4.2.4.4SOS脉冲发生器实际应用329

4.2.5SOS的封装332

4.3漂移阶跃恢复二极管(DSRD)332

4.3.1DSRD工作原理333

4.3.1.1DSRD结构及电路原理333

4.3.1.2DSRD的超快速恢复原理334

4.3.1.3高压下DSRD的电流电压特性336

4.3.1.4DSRD在动态电路中的特性336

4.3.1.5基于DSRD的高压脉冲实现340

4.3.2薄DSRD的结构及新材料的应用342

4.3.3DSRD的应用344

4.3.3.1电光开关驱动控制344

4.3.3.2脉冲发生器344

4.3.4SiC DSRD器件345

4.3.4.1SiC DSRD基本结构346

4.3.4.2SiC DSRD动态特性349

4.3.4.3SiC DSRD结构优化354

4.3.5DSRD模式与SOS模式对比355

4.3.6DSRD的封装356

4.4光电导开关(PCSS)358

4.4.1PCSS的基本结构与工作原理358

4.4.1.1器件结构358

4.4.1.2工作原理360

4.4.2PCSS的工作模式361

4.4.2.1线性工作模式361

4.4.2.2非线性工作模式363

4.4.2.3两种工作模式比较365

4.4.3PCSS中的衰减振荡365

4.4.4PCSS的击穿特性与寿命366

4.4.5PCSS的性能改进367

4.4.6PCSS的应用367

4.4.7宽禁带材料的光电导开关368

4.4.7.1SiC PCSS368

4.4.7.2GaN PCSS372

4.4.8PCSS的封装373

4.4.9PCSS的可靠性376

4.5快速离化晶体管(FID)377

4.5.1FID器件及其工作原理377

4.5.1.1FID器件结构与工作原理377

4.5.1.2FID典型工作电路378

4.5.2延迟雪崩击穿现象379

4.5.2.1延迟雪崩击穿现象的发现379

4.5.2.2延迟雪崩击穿现象的应用380

4.5.2.3延迟雪崩击穿现象的物理基础382

4.5.3FID器件的优化改进386

4.5.3.1DLD器件387

4.5.3.2SID器件387

4.5.4基于FID器件的脉冲发生装置及应用388

参考文献392

第5章脉冲功率应用技术404

5.1磁脉冲压缩(MPC)技术404

5.1.1磁开关404

5.1.2磁脉冲压缩原理404

5.1.3磁脉冲压缩电路407

5.1.4磁开关设计409

5.2高电压、大电流脉冲测量416

5.2.1大电流脉冲测量417

5.2.1.1分流器417

5.2.1.2罗氏线圈法419

5.2.1.3磁光式电流传感器423

5.2.2脉冲高压测量425

5.2.2.1电阻分压器426

5.2.2.2电容分压器428

5.2.2.3阻容分压器430

5.2.2.4微分积分测量系统431

5.3脉冲功率技术应用432

5.3.1脱硫脱硝处理432

5.3.1.1引言432

5.3.1.2实验装置432

5.3.1.3对同时脱硝脱硫处理的评价434

5.3.2气体激光器435

5.3.2.1TEA CO2激光器435

5.3.2.2受激准分子激光器435

5.3.2.3其他脉冲放电激励气体激光器437

5.3.3X射线光源437

5.3.3.1X射线的种类和应用437

5.3.3.2Z箍缩放电型软X射线源437

5.3.3.3光刻用的激光等离子X射线源438

5.3.3.4激光等离子X射线源用作X射线显微镜440

5.3.4紫外线光源440

5.3.4.1引言440

5.3.4.2表面放电型紫外线光源440

5.3.4.3箍缩型紫外线光源441

5.3.4.4其他脉冲紫外线光源441

5.3.5产生臭氧441

5.3.5.1引言441

5.3.5.2电晕放电的特征442

5.3.5.3电晕放电法的研究现状442

5.3.6工业废弃物处理443

5.3.6.1引言443

5.3.6.2放射性污染物质的处理443

5.3.6.3脉冲功率系统444

5.3.7二英处理445

5.3.8微生物杀菌446

5.3.8.1引言446

5.3.8.2脉冲电场对微生物的影响446

5.3.8.3脉冲电场杀菌的研究447

5.3.8.4杀菌效果和机理的相关讨论449

5.3.9水处理450

5.3.9.1引言450

5.3.9.2水中放电现象450

5.3.9.3水处理的应用450

5.3.9.4小结453

5.3.10岩石粉碎453

5.3.10.1引言453

5.3.10.2岩石内部的放电现象454

5.3.10.3破坏的特点454

5.3.11废弃混凝土的循环利用454

5.3.11.1引言454

5.3.11.2利用高压脉冲进行破碎分离实验454

5.3.12电磁加速455

5.3.12.1引言455

5.3.12.2电磁加速方法456

5.3.12.3电磁加速的研究和应用456

5.3.12.4电磁加速的研究现状457

5.3.13惯性核聚变457

5.3.13.1引言457

5.3.13.2关于惯性核聚变458

5.3.13.3放射线控制458

5.3.13.4Z箍缩实验458

5.3.13.5被照射目标设计459

5.3.14产生微波460

5.3.14.1引言460

5.3.14.2迟波电子回旋加速微波激射器和零磁场后进波振荡器的实验460

5.3.14.3小结461

5.3.15新材料的开发461

5.3.16离子注入462

5.3.16.1引言462

5.3.16.2金属离子注入原理462

5.3.16.3金属离子注入的特征462

5.3.16.4装置组成462

5.3.16.5电源464

5.3.17NO的生成464

5.3.17.1引言464

5.3.17.2医疗中NO的吸入疗法464

5.3.17.3实验装置和实验方法465

5.3.17.4实验结果465

5.3.18金属涂层塑料处理466

5.3.18.1引言466

5.3.18.2实验装置466

5.3.18.3结果分析467

5.3.19生物与医学467

5.3.19.1引言467

5.3.19.2基因表达468

5.3.19.3细胞特性468

5.3.19.4折叠蛋白反应470

5.3.20电磁脉冲成形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电磁脉冲焊接476

5.3.21.1引言476

5.3.21.2实验装置476

5.3.21.3效果分析477

5.3.21.4今后研究方向478

5.3.22电磁轨道炮478

5.3.22.1引言478

5.3.22.2装置原理479

5.3.22.3发展趋势479

5.3.23电磁推射480

5.3.23.1引言480

5.3.23.2主要类别481

5.3.23.3发展趋势481

5.3.24电磁弹射481

5.3.24.1引言481

5.3.24.2构成与原理482

5.3.24.3优势482

5.3.24.4发展趋势483

5.3.24.5推广应用483

参考文献483