脈沖功率器件及其應(yīng)用

前言

　　脈沖功率技術(shù)產(chǎn)生于20世紀(jì)30年代，60年代之后得到迅速發(fā)展。脈沖功率開關(guān)是脈沖功率系統(tǒng)的核心器件之一，其參數(shù)和特性對脈沖的上升時間、幅值、關(guān)斷時間等都會產(chǎn)生最直接的影響。近20年來，開關(guān)技術(shù)的發(fā)展極大地改變了脈沖功率及其應(yīng)用的概念。氣體放電的性質(zhì)本身決定了氣體開關(guān)存在原理上的缺陷，通過用固體開關(guān)取代傳統(tǒng)的火花隙等氣體開關(guān)，脈沖功率技術(shù)在壽命、重復(fù)頻率、緊湊性和靈活性等方面獲得了全新的參數(shù)范圍。電力半導(dǎo)體器件在功率能力和工作速度兩方面都取得了顯著進(jìn)步，以其體積小、壽命長、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為了脈沖功率開關(guān)的發(fā)展方向。由各自的物理結(jié)構(gòu)和工作機(jī)理決定，每種半導(dǎo)體開關(guān)都有其功率能力、工作頻率、斷路或?qū)ㄌ匦??！　“雽?dǎo)體脈沖功率器件實(shí)質(zhì)上是在脈沖功率領(lǐng)域里應(yīng)用的電力半導(dǎo)體器件，它們具有一致的物理基礎(chǔ)，只是需要更多的考慮到大注入、強(qiáng)電場等極端條件下的特殊表現(xiàn)，以及高電壓、大電流、高電流變化率的特殊應(yīng)用背景，所以半導(dǎo)體脈沖功率器件是涉及微電子學(xué)與固體電子學(xué)、電力電子技術(shù)、脈沖功率技術(shù)、高電壓技術(shù)等多門學(xué)科交叉的器件。目前國內(nèi)外對半導(dǎo)體脈沖功率器件的研究方興未艾，在電力電子新技術(shù)系列圖書中包含這一主題，可以開拓電力電子基礎(chǔ)器件研究人員的視野、啟發(fā)創(chuàng)造性思維，也呼應(yīng)了國家在“十一五”期間提出的“器件是電力電子技術(shù)的基礎(chǔ)和發(fā)展重點(diǎn)”的思路，在行業(yè)內(nèi)再次彰顯了基礎(chǔ)器件研究的重要性和生命力?！　∽髡咴跒楸緯Y(jié)素材時，一方面參考了大量有關(guān)電力半導(dǎo)體器件、脈沖功率技術(shù)等方面的傳統(tǒng)教材，另一方面廣泛搜集了國際上該領(lǐng)域的許多新文獻(xiàn)資料，尤其是在脈沖功率研究領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位的俄羅斯、日本、美國等國將半導(dǎo)體器件應(yīng)用于脈沖功率的最新成果，同時還結(jié)合了我們課題組在進(jìn)行國家項(xiàng)目的研究中積累的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，力圖將半導(dǎo)體脈沖功率器件這一有著悠久研究歷史基礎(chǔ)的新興課題準(zhǔn)確地展示給讀者。本書的具體內(nèi)容包括：脈沖功率開關(guān)概論、電流控制型脈沖功率器件（GTO晶閘管、GCT和IGCT、非對稱晶閘管）、電壓控制型脈沖功率器件（功率MOSFET、IG-BT、SITH）、新型半導(dǎo)體脈沖功率器件（RsD、SOS、DSRD、PCSS）以及脈沖功率應(yīng)用技術(shù)?！　”緯?、2、5章由余岳輝編寫，第3、4章由梁琳編寫。在成書過程中，得到華中科技大學(xué)電子科學(xué)與技術(shù)系電力電子技術(shù)研究所07和08級研究生的大力協(xié)助，限于篇幅，不能將他們的名字一一列舉，僅此表示深深的謝意。在編寫過程中，我們參考了大量國內(nèi)外文獻(xiàn)資料，其中主要的已詳細(xì)列于每章之后，但難免會有未顧及到的，在此一并表示衷心感謝。由于教學(xué)科研工作繁忙，時間倉促，加上作者水平限制，錯漏之處在所難免，敬請廣大讀者不吝賜教。

內(nèi)容概要

脈沖功率技術(shù)近年來發(fā)展迅速，在軍事和工業(yè)的眾多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。脈沖功率開關(guān)是脈沖功率系統(tǒng)的核心器件之一，由于半導(dǎo)體器件具有體積小、壽命長、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，脈沖功率開關(guān)目前有半導(dǎo)體化的趨勢?！睹}沖功率器件及其應(yīng)用》首先對脈沖功率開關(guān)的發(fā)展歷程進(jìn)行了總體概述，然后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(jié)構(gòu)、工作原理、特性參數(shù)及其在脈沖功率系統(tǒng)中的應(yīng)用，特別討論了幾種新型專門用于脈沖功率領(lǐng)域的半導(dǎo)體開關(guān)（包括反向開關(guān)晶體管、半導(dǎo)體斷路開關(guān)、漂移階躍恢復(fù)二極管和光電導(dǎo)開關(guān)）的機(jī)理模型和實(shí)際運(yùn)用等問題，最后論述了脈沖功率應(yīng)用的相關(guān)問題。    《脈沖功率器件及其應(yīng)用》可供電力電子技術(shù)、微電子技術(shù)以及脈沖功率技術(shù)等領(lǐng)域的研究生和工程技術(shù)人員參考。

書籍目錄

電力電子新技術(shù)系列圖書序言前言第1章 概論  1.1 脈沖功率技術(shù)的產(chǎn)生背景及應(yīng)用  1.2 脈沖功率系統(tǒng)簡介  1.3 常用的傳統(tǒng)脈沖功率開關(guān)  1.4 半導(dǎo)體器件在脈沖功率技術(shù)中的應(yīng)用  參考文獻(xiàn)第2章 電流控制型脈沖功率器件  2.1 門極關(guān)斷(GTO)晶閘管  2.2 門極換流晶閘管(12CT)和集成門極換流晶閘管(IGCT)  2.3 非對稱晶閘管  2.4 電流控制型器件在脈沖功率系統(tǒng)中的應(yīng)用  參考文獻(xiàn)第3章 電壓控制型脈沖功率器件  3.1 功率場效應(yīng)晶體管(Power MOSF。ET、  3.2 絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)  3.3 靜電感應(yīng)晶閘管(SITH)  參考文獻(xiàn)第4章 新型半導(dǎo)體脈沖功率器件  4.1 反向開關(guān)晶體管(RSD)  4.2半導(dǎo)體斷路開關(guān)(SOS)  4.3 漂移階躍恢復(fù)二極管(DSRD)  4.4 光電導(dǎo)開關(guān)(PCSS)  參考文獻(xiàn)第5章 脈沖功率應(yīng)用技術(shù)  5.1 磁脈沖壓縮技術(shù)  5.2 高電壓大電流脈沖測量  5.3 脈沖功率技術(shù)應(yīng)用  參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

　　1.1脈沖功率技術(shù)的產(chǎn)生背景及應(yīng)用　　將電磁能量經(jīng)過時空壓縮而得到的大的功率稱為脈沖功率。在涉及進(jìn)行巨大功率試驗(yàn)的許多近代物理領(lǐng)域及一系列技術(shù)領(lǐng)域中，常常需要在微秒、納秒及亞納秒的時問范圍內(nèi)對巨大的電功率（由兆瓦到太瓦）進(jìn)行換流。這種需要常常出現(xiàn)在如可控?zé)岷撕铣?、大功率激光及加速器、高頻等離子體電子學(xué)、大功率無線電發(fā)送、導(dǎo)航、雷達(dá)系統(tǒng)等工作的某些方面?！　∶}沖功率技術(shù)最初是基于材料響應(yīng)實(shí)驗(yàn)、閃光x射線照相及模擬核武器效應(yīng)的需要而出現(xiàn)的。1962年英國的J.C.馬丁成功地將已有的Marx發(fā)生器與傳輸線技術(shù)結(jié)合起來，產(chǎn)生了持續(xù)時間短達(dá)納秒級的大功率脈沖，從而開辟了這一嶄新的領(lǐng)域。1976年在美國召開的第一屆脈沖功率國際會議上，脈沖功率這一說法得到確認(rèn)。當(dāng)時，單次脈沖的大功率脈沖發(fā)生器研究十分盛行。以美國和前蘇聯(lián)為中心，在軍事方面進(jìn)行了很多應(yīng)用，花費(fèi)了巨額費(fèi)用之后，隨著冷戰(zhàn)的結(jié)束，積蓄型脈沖功率技術(shù)在產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中的利用機(jī)會得到提高。隨之，高技術(shù)領(lǐng)域如受控?zé)岷司圩冄芯?、大功率粒子束、大功率激光、定向束能武器、電磁軌道炮等的研制都對大功率脈沖技術(shù)的發(fā)展提出了新的要求，使大功率脈沖技術(shù)成為20世紀(jì)80年代極為活躍的研究領(lǐng)域之一。　　近年來，相對于脈沖功率裝置的大功率化的研究，脈沖功率技術(shù)在產(chǎn)業(yè)應(yīng)用上要求具有更高的可靠性。長時期高重復(fù)率工作的脈沖功率發(fā)生裝置的開發(fā)也在進(jìn)行中。而且，為了在產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中具有高效率，用波形控制負(fù)載的能量傳輸效率等也成了重要因素。脈沖功率產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中廣泛使用的利用脈沖功率放電等離子現(xiàn)象的解釋變得很重要。如此一來，要想擴(kuò)展新的脈沖功率應(yīng)用領(lǐng)域，與之相關(guān)的進(jìn)一步的技術(shù)開發(fā)和物理現(xiàn)象的解釋就是不可或缺的?！　〈竺}沖功率系統(tǒng)的主要參量有：脈沖能量（千焦～吉焦）、脈沖功率（吉瓦～太瓦）、脈沖電流（千安～兆安）、脈沖寬度（微秒～納秒）和脈沖電壓。大脈沖功率系統(tǒng)的工作原理是，先將從小功率能源中獲得的能量存儲起來，然后將這些能量經(jīng)大功率脈沖發(fā)生器轉(zhuǎn)變成大脈沖功率，并傳給負(fù)載。由一定的能量所轉(zhuǎn)換成的脈沖持續(xù)時間愈短，在負(fù)載上得到的功率愈大。所提供的能源可以是電能、磁能、化學(xué)能或其他形式的能。　　現(xiàn)在，脈沖功率已經(jīng)是一項(xiàng)應(yīng)用十分廣泛的技術(shù)。它可在很短的時間內(nèi)產(chǎn)生極高的溫度、耀眼的閃光和巨大的聲響，它可將粒子加速到很高的速度，可產(chǎn)生極大的力量，也可遠(yuǎn)距離探測目標(biāo)，并且還能創(chuàng)造很多不可能連續(xù)維持的極限條件。

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