國際電氣工程先進技術譯叢·先進的高壓大功率器件：原理、特性和應用 下載 mobi epub pdf 電子書 2024

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內容簡介

　　《國際電氣工程先進技術譯叢·先進的高壓大功率器件：原理、特性和應用》共11章。第1章簡要介紹瞭高電壓功率器件的可能應用，定義瞭理想功率開關的電特性，並與典型器件的電特性進行瞭比較。第2章和第3章分析瞭矽基功率晶閘管和碳化矽基功率晶閘管。第4章討論瞭矽門極關斷（GTO）晶閘管結構。第5章緻力於分析矽基IGBT結構，以提供對比分析的標準。第6章和第7章分析瞭碳化矽MOSFET和碳化矽IGBT的結構。碳化矽MOSFET 和IGBT的結構設計重點在於保護柵氧化層，以防止其提前擊穿。另外，必須屏蔽基區，以避免擴展擊穿。這些器件的導通電壓降由溝道電阻和緩衝層設計所決定。第8章和第9章討論瞭金屬氧化物半導體控製晶閘管（MCT）結構和基極電阻控製晶閘管（BRT）結構，後者利用MOS柵控製晶閘管的導通和關斷。第10章介紹瞭發射極開關晶閘管（EST），該種結構也利用一種MOS柵結構來控製晶閘管的導通與關斷，並可利用IGBT加工工藝來製造。這種器件具有良好的安全工作區。本書最後一章比較瞭書中討論的所有高壓功率器件結構。

　　本書的讀者對象包括在校學生、功率器件設計製造和電力電子應用領域的工程技術人員及其他相關專業人員。《國際電氣工程先進技術譯叢·先進的高壓大功率器件：原理、特性和應用》適閤高等院校有關專業用作教材或專業參考書，亦可被電力電子學界和廣大的功率器件和裝置生産企業的工程技術人員作為參考書之用。

目錄

譯者序
原書前言
參考文獻

第1章 引言
1.1 典型功率轉換波形
1.2 典型高壓功率器件結構
1.3 矽器件擊穿修正模型
1.4 典型高壓應用
1.4.1 變頻電動機驅動
1.4.2 高壓直流輸配電
1.5 總結
參考文獻

第2章 矽晶閘管
2.1 功率晶閘管結構和應用
2.2 5kV矽晶閘管
2.2.1 阻斷特性
2.2.2 導通特性
2.2.3 開啓
2.2.4 反嚮恢復
2.2.5 小結
2.3 10kV矽晶閘管
2.3.1 阻斷特性
2.3.2 導通特性
2.3.3 開啓
2.3.4 反嚮恢復
2.3.5 小結
2.4 總結
參考文獻

第3章 碳化矽晶閘管
3.1 碳化矽晶閘管結構
3.2 20kV矽基對稱阻斷晶閘管
3.2.1 阻斷特性
3.2.2 導通特性
3.3 20kV碳化矽晶閘管
3.3.1 阻斷特性
3.3.2 導通特性
3.4 結論
參考文獻

第4章 門極關斷（GTO）晶閘管
4.1 基本結構和工作原理
4.2 5kV矽GTO
4.2.1 阻斷特性
4.2.2 漏電流
4.2.3 通態電壓降
4.2.4 關斷特性
4.2.5 對壽命的依賴性
4.2.6 開關損耗
4.2.7 最大工作頻率
4.2.8 關斷增益
4.2.9 緩衝層摻雜
4.2.10 透明發射極結區
4.3 10kV矽GTO
4.3.1 阻斷特性
4.3.2 通態電壓降
4.3.3 關斷特性
4.3.4 開關損耗
4.3.5 最大工作頻率
4.3.6 關斷增益
4.4 反偏壓安全工作區
4.5 總結
參考文獻

第5章 矽絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)
5.1 基本結構和操作
5.2 5kV矽溝槽柵IGBT
5.2.1 阻斷特性
5.2.2 漏電流
5.2.3 通態電壓降
5.2.4 關斷特性
5.2.5 對壽命的依賴性
5.2.6 開關損耗
5.2.7 最大工作頻率
5.2.8 緩衝層摻雜
5.2.9 透明發射極結構
5.3 5kV矽基平麵柵IGBT
5.3.1 阻斷特性
5.3.2 通態電壓降
5.3.3 關斷特性
5.3.4 對壽命的依賴性
5.3.5 開關損耗
5.3.6 最大工作頻率
5.4 10kV矽IGBT
5.4.1 阻斷特性
5.4.2 通態電壓降
5.4.3 關斷特性
5.4.4 開關損耗
5.4.5 最大工作頻率
5.5 正嚮偏置安全工作區
5.6 反嚮偏壓安全工作區
5.7 結論
參考文獻

第6章 碳化矽平麵MOSFET結構
6.1 屏蔽型平麵反型模式MOSFET結構
6.2 阻斷模型
6.3 柵閾值電壓
6.4 導通電阻
6.4.1 溝道電阻
6.4.2 積纍區電阻
6.4.3 JFET區電阻
6.4.4 漂移區電阻
6.4.5 總導通電阻
6.5 電容
6.6 感性負載時的關斷特性
6.7 5kV反型模式MOSFET
6.7.1 阻斷特性
6.7.2 比導通電阻
6.7.3 器件電容
6.7.4 感性負載下的關斷特性
6.7.5 開關損耗
6.7.6 最大工作頻率
6.8 10kV反型模式MOSFET
6.8.1 阻斷特性
6.8.2 比導通電阻
6.8.3 感性負載下的關斷特性
6.8.4 開關損耗
6.8.5 最大工作頻率
6.9 20kV反型模式MOSFET
6.9.1 阻斷模式
6.9.2 比導通電阻
6.9.3 感性負載下的關斷特性
6.9.4 開關損耗
6.9.5 最大工作頻率
6.10 結論
參考文獻

第7章 碳化矽IGBT
7.1 N溝道非對稱結構
7.1.1 阻斷特性
7.1.2 導通電壓降
7.1.3 關斷特性
7.1.4 對壽命的依賴性
7.1.5 開關損耗
7.1.6 最大工作頻率
7.2 N溝道非對稱器件的優化
7.2.1 結構優化
7.2.2 阻斷特性
7.2.3 導通電壓降
7.2.4 關斷特性
7.2.5 對壽命的依賴性
7.2.6 開關損耗
7.2.7 最大工作頻率
7.3 P溝道非對稱結構
7.3.1 阻斷特性
7.3.2 導通電壓降
7.3.3 關斷特性
7.3.4 對壽命的依賴性
7.3.5 開關損耗
7.3.6 最大工作頻率
7.4 結論
參考文獻

第8章 矽基MCT
8.1 基本結構與工作
8.2 5kV矽MCT
8.2.1 擊穿特性
8.2.2 通態電壓降
8.2.3 關斷特性
8.2.4 對壽命的依賴性
8.2.5 開關損耗
8.2.6 最大工作頻率
8.3 10kV矽MCT
8.3.1 阻斷特性
8.3.2 通態電壓降
8.3.3 關斷特性
8.3.4 開關損耗
8.3.5 最大工作頻率
8.4 正嚮偏置安全工作區
8.5 反嚮偏置安全工作區
8.6 結論
參考文獻

第9章 矽基極電阻控製晶閘管
9.1 基本結構和工作原理
9.2 5kV矽基BRT
9.2.1 阻斷特性
9.2.2 通態電壓降
9.2.3 關斷特性
9.2.4 對壽命的依賴性
9.2.5 開關損耗
9.2.6 最大工作頻率
9.3 改進的結構和工作方式
9.3.1 阻斷特性
9.3.2 通態電壓降
9.3.3 關斷特性
9.4 10kV矽BRT
9.4.1 阻斷特性
9.4.2 通態電壓降
9.4.3 關斷特性
9.4.4 開關損耗
9.4.5 最大工作頻率
9.5 正嚮偏置安全工作區
9.6 反嚮偏置安全工作區
9.7 總結
參考文獻

第10章 矽發射極開關晶閘管
10.1 基本結構與工作特性
10.2 5kV矽SC-EST
10.2.1 阻斷特性
10.2.2 通態電壓降
10.2.3 關斷特性
10.2.4 對壽命的依賴性
10.2.5 開關損耗
10.2.6 最大工作頻率
10.2.7 正嚮偏壓安全工作區
10.3 5kV矽DC-EST
10.3.1 阻斷特性
10.3.2 通態電壓降
10.3.3 關斷特性
10.3.4 對壽命的依賴性
10.3.5 開關損耗
10.3.6 最大工作頻率
10.3.7 正嚮偏壓安全工作區
10.4 10kV矽EST
10.4.1 阻斷特性
10.4.2 通態電壓降
10.4.3 關斷特性
10.4.4 開關損耗
10.4.5 最大工作頻率
10.5 反嚮偏壓安全工作區
10.6 結論
參考文獻

第11章 總述
11.1 5kV器件
11.1.1 導通電壓降
11.1.2 功率損耗摺中麯綫
11.1.3 正嚮偏置安全工作區
11.1.4 反嚮偏置安全工作區
11.2 10kV器件
11.2.1 導通電壓降
11.2.2 關斷損耗
11.2.3 最大工作頻率
11.3 結論
參考文獻
作者簡介

前言/序言

　　大氣碳排放會對環境産生不利影響這一觀點已在世界範圍內被廣泛接受。通過兩種途徑可以減少碳排放。第一種解決途徑是節能減排。通過提升電能的管理和分配效率，從而在不影響現有社會生活水平的情況下達到節能的目的。功率半導體器件被認為是實現這一目標的關鍵之一。據估測，世界上至少50%的電能都由功率器件控製。隨著電子設備在消費、工業、照明、交通等領域的廣泛應用，功率器件決定瞭電力係統的成本與效率，進而對經濟産生重要影響。減輕碳排放的第二種途徑是發展諸如風能、太陽能等可再生能源。這些（可再生能源）設施通過電力電子變換器將電能轉換成能滿足用戶和行業需要的常規60Hz交流電。由於涉及相對大的功率等級，在上述應用領域中使用的功率半導體器件必須具有高壓大電流的處理能力。
　　在20世紀50年代，既有的真空管被功率整流器和晶閘管所替代。固體半導體器件提供瞭更小的尺寸，更好的耐用性和更高的效率。在過去的60年裏，晶閘管的額定功率穩步提升。一方麵通過使用大直徑矽片，將晶閘管的電流處理能力從100A提高到4000A以上；另一方麵利用中子嬗變摻雜技術的高阻矽，將晶閘管的阻斷電壓從200V增加到超過8000V。這些器件已主要應用於高壓直流輸配電係統。
　　晶閘管整流電路的復雜性和由此産生的功率損耗，推動瞭20世紀60年代門極關斷（GTO）晶閘管的發明。這些裝置受到瞭如鋼鐵、電力機車（牽引車）等需要大型電動機驅動行業的青睞。在過去的50年裏，GTO晶閘管的額定功率穩步提升，電流處理能力達到4000A，阻斷電壓達到6000V[1]。
　　矽基GTO晶閘管所需的大驅動電流促進瞭20世紀80年代絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）[2]的發明。在過去的30年裏，IGBT在消費、工業、運輸、軍事等領域的中、高功率電力電子係統中占據統治地位，甚至在醫療領域也有一席之地。據美國能源部估計，基於IGBT的變速傳動裝置在控製電動機上的應用，可每年節能超過兩韆萬億英熱（Btu�。�，相當於70GW電能。相當於每年節約70座燃煤火力發電廠的發電量，降低二氧化碳排放超過1萬億磅。現在，IGBT的功率水平已提升至電流處理能力超過1000A，閉鎖電壓6kV。IGBT現在不僅應用於大功率電動機牽引[3]（如日本新乾綫高速列車），也被應用於高壓直流配電網[4]。
　　風能、太陽能等可再生能源（的應用）需要在換流器中應用功率半導體器件，隨著對這些可再生能源的持續投資，可以預料的是未來對有豐富經驗的功率半導體��1Btu=1��05506kJ，後同。
　　器件設計和製造技術人員的需求會不斷增長。我最近齣版的教材[5]對基本的電力整流器、晶體管、晶閘管的結構予以瞭綜閤分析。在2009年，該教材補充瞭關於“先進電力整流器概念”的專題，以嚮學生和工程專業人員介紹那些錶現齣改進性能屬性的二極管器件。在2010年，該教材補充瞭關於“先進功率金屬氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）概念”的專題，嚮學生和工程專業人員介紹那些錶現齣改進性能屬性的開關器件。
　　原 書 前 言本書嚮讀者介紹瞭先進的金屬氧化物半導體柵極功率晶閘管（MOS-gatedpowerthyristor）概念，該結構可提升高電壓下的性能。此處討論的器件額定電壓範圍為5~20kV。為方便讀者，本書也給齣瞭在相同額定電壓範圍內的基本晶閘管結構與新型器件結構的分析以供進行性能比較。與教材中的情況一樣，本書所錶述的這種先進功率晶閘管特性的理論計算公式是由基本的半導體泊鬆方程、連續性方程、傳導方程嚴格推導而來的。由於IGBT在很多大功率電動機驅動和輸電係統等領域已取代晶閘管，本書內容也包括瞭IGBT特性的介紹。與各章節中展示的典型例子一樣，本書中討論的所有功率器件的電特性均可通過這些解析錶達式計算獲得。為瞭證實這些解析公式的有效性，在本書的各章節中均包含二維數值仿真的結果。當仿真結果與兩者相關時，仿真結果也被用來進一步闡明物理特性和二維效應。為瞭提升功率器件中應用寬禁帶半導體材料的重要性，本書中的內容也包括瞭對碳化矽結構的分析。
　　在第1章中簡要介紹瞭高電壓功率器件的可能應用。接著定義瞭理想功率開關的電特性，並與典型器件的電特性進行瞭比較。第2章和第3章分析瞭矽基功率晶閘管和碳化矽基功率晶閘管，分析內容包括阻斷特性、導通電壓降和開關特性。第4章討論瞭矽門極關斷（GTO）晶閘管的結構。第5章緻力於分析矽基IGBT結構以提供對比分析的標準。因為任何用於替換的矽或碳化矽器件的技術必須優於目前通用的矽IGBT係統纔具有應用價值。
　　第6章和第7章分析瞭碳化矽MOSFET和碳化矽IGBT。4H-SiC材料更高的擊穿場強允許漂移區摻雜濃度提升200倍同時減少漂移區厚度一個數量級。這就使具有低導通電阻的5kV和10kV碳化矽MOSFET具備瞭可行性。對於更高的阻斷電壓，碳化矽IGBT結構需要進一步改進。碳化矽MOSFET和IGBT的結構設計必須在承受著大得多的電場強度條件下保護柵氧化層以防止其擊穿。另外，必須屏蔽基區以避免擴展擊穿。這些器件的導通電壓降由溝道電阻和緩衝層設計所決定。
　　第8章和第9章討論瞭金屬氧化物半導體控製晶閘管（MCT）結構和基極電阻控製晶閘管（BRT）結構，後者利用金屬氧化物半導體柵來控製晶閘管的導通和關斷。第10章介紹瞭發射極開關晶閘管（EST），該種結構也利用一種金屬氧化物半導體柵結構來控製晶閘管的導通與關斷，並可利用IGBT的加工工藝來製造。這種器件的附加特徵是具有良好的安全工作區。
　　最後一章比較瞭本書討論的所有高壓功率器件結構，為提供一個更加廣闊的視角，在各種不同的阻斷電壓下比較瞭這些器件的性能。
　　我希望本書能對功率半導體産業的學者和産品設計人員有所裨益。本書還可作為我所編寫教材的補充，用於固體器件相關課程的教學。
　　B�盝ayantBaliga羅利市，北卡羅來納州2011年3月
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