脉冲功率器件及其应用PDF电子书下载

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 5

1.3.1　触发真空开关（TVS） 5

1.3.2　伪火花开关（PSS） 6

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 9

参考文献 12

第2章　电流控制型脉冲功率器件 13

2.1 门极关断（GT0）晶闸管 13

2.1.1　GT0的发展 13

2.1.2　GT0的结构 13

2.1.3　GTO的工作原理 14

2.1.4　GTO的特性优化 19

2.1.5　GT0的驱动电路和吸收电路 20

2.1.6　GTO的功耗 22

2.2　门极换流晶闸管（GCT）和集成门极换流晶闸管（IGCT） 23

2.2.1　GCT的发展 23

2.2.2　GCT的结构和特点 24

2.2.3　IGCT的工作原理和开关波形 27

2.2.4　IGCT的驱动电路和开关特性 29

2.2.5　IGCT的特性改进 31

2.3　非对称晶闸管 33

2.3.1　非对称晶闸管概述 33

2.3.2　非对称晶闸管的断态电压 34

2.3.3　非对称晶闸管的最小长基区宽度WN（min） 36

2.4　电流控制型器件在脉冲功率系统中的应用 38

参考文献 39

第3章　电压控制型脉冲功率器件 41

3.1　功率场效应晶体管（Power MOSFET） 41

3.1.1　功率MOSFET的基本原理及分类 41

3.1.2　功率MOSFET的基本结构 42

3.1.3　功率MOSFET的特性和主要电学参数 45

3.1.4　新型结构的功率MOSFET——“超结” 48

3.1.5　功率MOSFET的栅极驱动 49

3.1.6　功率MOSFET在脉冲功率系统中的应用 51

3.1.6.1　功率MOSFET在高压脉冲调制器中的应用 51

3.1.6.2　功率MOSFET在兆赫兹脉冲功率发生器中的应用 53

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 55

3.1.6.4　为细菌转化提供的基于MOSFET的脉冲电源 59

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 61

3.1.6.6　基于MOSFET的简单高电压纳秒级脉冲电路 63

3.2　绝缘栅双极型晶体管（IGBT） 70

3.2.1　概述 70

3.2.2　IGBT的结构和工作原理 71

3.2.3　IGBT的基本特性 72

3.2.4　IGBT的栅极驱动和保护 80

3.2.5　五代IGBT及第五代IGBT的3种新技术 86

3.2.6　IGBT的发展 96

3.2.7　IGBT在脉冲功率系统中的应用 97

3.2.7.1　改进的Marx发生器 97

3.2.7.2　串联谐振充电电源 102

3.2.7.3　IGBT在脉冲变压器驱动源中的应用 105

3.2.7.4　IGBT的串联 105

3.3　静电感应晶闸管（SITH） 114

3.3.1　SITH的基础理论知识 115

3.3.1.1　器件结构 115

3.3.1.2　基本工作原理 116

3.3.2　静态特性 117

3.3.2.1　正向开通特性 117

3.3.2.2　正向阻断特性 118

3.3.2.3　电压增益 119

3.3.3　动态特性 119

3.3.3.1　开通时间ton和关断时间toff 119

3.3.3.2　du/dt 122

3.3.3.3　di/dt 124

3.3.4　驱动电路和损耗 125

3.3.4.1　驱动电路 125

3.3.4.2　损耗 125

3.3.5　SITH在脉冲功率系统中的应用 127

3.3.5.1　变压变频逆变器 127

3.3.5.2　高质量电源装置 128

3.3.5.3　脉冲功率发生器 130

参考文献 132

第4章　新型半导体脉冲功率器件 136

4.1　反向开关晶体管（RSD） 137

4.1.1　国内外研究概况 137

4.1.2　RSD的工作机理 139

4.1.2.1　借助可控等离子层换流原理 139

4.1.2.2　RSD的结构和工作机理 141

4.1.3　RSD的换流特性 147

4.1.3.1　RSD开通与大电流特性 147

4.1.3.2　RSD的功率损耗特性 150

4.1.3.3　RSD的关断特性 154

4.1.4　RSD的结构优化 160

4.1.4.1　薄发射极改善RSD开通特性 160

4.1.4.2　“薄基区-缓冲层-透明阳极”结构探索 164

4.1.5　RSD的关键工艺 169

4.1.5.1　基本工艺方案 169

4.1.5.2　阳极多元胞结构 169

4.1.5.3　阴极短路点的设计 171

4.1.5.4　新工艺技术研究 173

4.1.5.5　部分芯片测试记录 177

4.1.6　基于RSD的脉冲发生电路 178

4.1.6.1　基于RSD的脉冲放电系统主回路 178

4.1.6.2　120kA大功率脉冲发生电路的设计与实现 181

4.1.6.3　RSD在重复频率脉冲工况下的应用 185

4.1.6.4　大功率RSD多单元并联技术 187

4.1.6.5　高速长寿命化RSD芯片的级联 192

4.2　半导体断路开关（SOS） 193

4.2.1　SOS效应的发现 193

4.2.2　SOS模式的物理基础 194

4.2.2.1　SOS的基本工作原理 194

4.2.2.2　SOS效应模式下的电子空穴动力学 198

4.2.3　SOS二极管的特性及主要参数 200

4.2.4　基于SOS二极管的脉冲发生器 204

4.2.4.1　基于SOS的Marx发生器 204

4.2.4.2　基于SOS的纳秒重复脉冲发生器 208

4.3　漂移阶跃恢复二极管（DSRD） 212

4.3.1　DSRD工作原理 213

4.3.1.1　DSRD结构及电路原理 213

4.3.1.2DSRD的超快速恢复原理 214

4.3.1.3　高压下DSRD的电流电压特性 215

4.3.2　薄DSRD的结构及新材料的应用 216

4.3.3DSRD的应用 217

4.3.3.1　电光开关驱动控制 217

4.3.3.2　脉冲产生器 218

4.4　光电导开关（PCSS） 219

4.4.1PCSS的基本结构与工作原理 219

4.4.1.1　器件结构 219

4.4.1.2　工作原理 222

4.4.2　PCSS的工作模式 222

4.4.2.1　线性工作模式 222

4.4.2.2　非线性工作模式 224

4.4.2.3　两种工作模式比较 226

4.4.3　PCSS中的衰减振荡 226

4.4.4　PCSS的击穿特性与寿命 227

4.4.5　PCSS的性能改进 227

4.4.6　PCSS的应用 228

参考文献 228

第5章　脉冲功率应用技术 235

5.1　磁脉冲压缩技术 235

5.1.1　磁开关 235

5.1.2　磁脉冲压缩原理 236

5.1.3　磁脉冲压缩电路 237

5.1.4　磁开关设计 240

5.2　高电压大电流脉冲测量 246

5.2.1　大电流脉冲测量 247

5.2.1.1　分流器 247

5.2.1.2　罗氏线圈法 249

5.2.1.3　磁光式电流传感器 253

5.2.2　脉冲高压测量 255

5.2.2.1　电阻分压器 255

5.2.2.2　电容分压器 258

5.2.2.3　阻容分压器 259

5.2.2.4　微分积分测量系统 261

5.3　脉冲功率技术应用 261

5.3.1　脱硫脱硝处理 261

5.3.1.1　引言 261

5.3.1.2　实验装置 262

5.3.1.3　对同时脱硝脱硫处理的评价 262

5.3.2　气体激光器 263

5.3.2.1　TEACO2激光器 263

5.3.2.2　受激准分子激光器 263

5.3.2.3　其他脉冲放电激励气体激光器 264

5.3.3　X射线光源 264

5.3.3.1　X射线的种类和应用 264

5.3.3.2　Z箍缩放电型软X射线源 265

5.3.3.3　光刻用的激光等离子X射线源 265

5.3.3.4　激光等离子X射线源用作X射线显微镜 267

5.3.4　紫外线光源 267

5.3.4.1　引言 267

5.3.4.2　表面放电型紫外线光源 267

5.3.4.3　箍缩型紫外线光源 268

5.3.4.4　其他脉冲紫外线光源 268

5.3.5　产生臭氧 268

5.3.5.1　引言 268

5.3.5.2　电晕放电的特征 269

5.3.5.3　电晕放电法的研究现状 269

5.3.5.4　今后的研究方向 270

5.3.6　工业废弃物处理 270

5.3.6.1　引言 270

5.3.6.2　放射性污染物质的处理 270

5.3.6.3　脉冲功率系统 271

5.3.7　二恶英处理 271

5.3.8　微生物杀菌 273

5.3.8.1　引言 273

5.3.8.2　脉冲电场对微生物的影响 273

5.3.8.3　脉冲电场杀菌的研究 273

5.3.8.4　杀菌效果和机理的相关讨论 275

5.3.8.5　今后的研究方向 276

5.3.9　水处理 277

5.3.9.1　引言 277

5.3.9.2　水中放电现象 277

5.3.9.3　水处理的应用 277

5.3.9.4　小结 278

5.3.10　岩石粉碎 279

5.3.10.1　引言 279

5.3.10.2　岩石内部的放电现象 279

5.3.10.3　破坏的特点 280

5.3.10.4　今后的研究方向 280

5.3.11 废弃混凝土的循环利用 280

5.3.11.1　引言 280

5.3.11.2　利用高压脉冲进行破碎分离实验 280

5.3.12　电磁加速 281

5.3.12.1　引言 281

5.3.12.2　电磁加速方法 282

5.3.12.3　电磁加速的研究和应用 282

5.3.12.4　电磁加速的研究现状 283

5.3.12.5　今后的研究方向 284

5.3.13　惯性核聚变 284

5.3.13.1　引言 284

5.3.13.2　关于惯性核聚变 284

5.3.13.3　放射线控制 284

5.3.13.4　Z箍缩实验 284

5.3.13.5　被照射目标设计 285

5.3.13.6　核聚变的实现 286

5.3.14　产生微波 286

5.3.14.1　引言 286

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 286

5.3.14.3　小结 287

5.3.15　新材料的开发 288

5.3.16　离子注入 288

5.3.16.1　引言 288

5.3.16.2　金属离子注入原理 288

5.3.16.3　金属离子注入的特征 288

5.3.16.4　装置组成 289

5.3.16.5　电源 290

5.3.17　NO的生成 290

5.3.17.1　引言 290

5.3.17.2　医疗中NO的吸入疗法 291

5.3.17.3　实验装置和实验方法 291

5.3.17.4　实验结果 292

参考文献 293