电力半导体器件原理与应用

《电力半导体器件原理与应用》力求从电力半导体器件应用的角度来诠释和分析其基本原理和应用特性。全书共分为8章，第1章主要阐述电力半导体器件的基本功能和用途；第2章介绍半导体器件物理基础，包括半导体与导体、绝缘体，原子中的电子能级，晶体中的能带等；第3章阐述双极型电力半导体器件基本原理，包括单pn结器件及多pn结特性；第4章介绍单极型及混合型器件电力半导体器件基本原理，涉及结型场效应器件、静电感应器件、功率mosfet器件、混合型器件igbt和混合型器件igct等；第5章叙述电力半导体器件的特性和参数，包括双稳态和双瞬态的基本工作状态，通态特性、阻态特性、开通过程、关断过程、触发特性以及系统安全工作区等；第6章重点分析了电力半导体器件应用特性，包括电力半导体器件的串、并联使用、电力半导体器件可靠性和失效分析以及电力半导体器件的保护等；第7章进一步分析了变换器中电力半导体器件应用特性，着重考虑电力半导体器件与变换器中其他因素之间的关系；第8章介绍适用于变换器仿真的电力半导体器件建模，以为变换器主回路优化设计所用。

《电力半导体器件原理与应用》可作为电机系统及其控制、电力电子与电力传动等学科研究生专业课程的参考书，也可供从事电力电子技术应用的科技人员和有关科技管理人员参考。

电力电子新技术系列图书序言

前言

第1章  绪论1

1.1  电力半导体器件的基本功能和用途1

1.2  电力半导体器件的基本分类和应用3

1.2.1  按照电力半导体器件控制特性分类3

1.2.2  按照电力半导体器件发展分类5

1.2.3  按照电力半导体器件驱动方式分类5

1.2.4  按照电力半导体器件中载流子性质分类6

1.3  di/dt和du/dt在电力半导体器件中的特殊意义8

1.4  电力半导体器件的发展11

参考文献16

第2章  半导体器件的物理基础17

2.1  半导体与导体、绝缘体17

2.2  原子中的电子能级19

2.2.1  孤立原子中的电子能级19

2.2.2  两个原子之间的共价键22

2.3  晶体中的能带24

2.3.1  晶体中的能级——能带24

2.3.2  晶体中的禁带宽度27

2.3.3  半导体的晶体结构28

2.4  本征半导体与杂质半导体32

2.4.1  电子与空穴33

2.4.2  费米?狄拉克分布35

2.4.3  从本征半导体到杂质半导体37

2.4.4  杂质半导体的关键参数41

2.5  半导体中的载流子运动44

2.5.1  电离与复合45

2.5.2  布朗运动45

2.5.3  漂移运动46

2.5.4  扩散运动48

参考文献49

第3章  双极型电力半导体器件基本原理51

3.1  单pn结器件运行原理51

3.1.1  pn结的基本结构51

3.1.2  平衡条件下的pn结53

3.1.3  偏置条件下的pn结56

3.2  pn结的运行特性62

3.2.1  pn结的击穿与穿通62

3.2.2  pn结的电容效应65

3.2.3  pn结器件的电路特性66

3.3  pin器件运行原理67

3.3.1  pin二极管基本结构和正偏置下的行为67

3.3.2  pin二极管的恢复特性70

3.4  三层两结器件运行原理72

3.4.1  双极晶体管的基本结构72

3.4.2  双极晶体管中pn结的相互作用74

3.5  四层三结器件运行原理76

3.5.1  晶闸管的基本结构77

3.5.2  晶闸管的基本工作原理78

3.5.3  gto的基本结构和基本工作原理82

参考文献83

第4章  单极型及混合型电力半导体器件基本原理85

4.1  肖特基势垒器件85

4.1.1  肖特基势垒85

4.1.2  肖特基二极管的基本结构88

4.1.3  肖特基二极管的基本工作原理89

4.2  结型场效应器件和静电感应器件92

4.2.1  结型场效应晶体管的基本结构93

4.2.2  结型场效应晶体管的基本工作原理94

4.2.3  静电感应晶体管的基本结构和工作原理97

4.2.4  静电感应晶闸管的基本结构和工作原理99

4.3  功率mosfet102

4.3.1  mos结构102

4.3.2  mosfet的基本结构104

4.3.3  mosfet的基本工作原理105

4.3.4  功率mosfet108

4.4  混合型器件igbt110

4.4.1  igbt的基本结构110

4.4.2  igbt的基本开关原理113

4.4.3  igbt结构的一些演变115

4.5  混合型器件igct118

4.5.1  igct的基本结构118

4.5.2  igct的工作原理120

参考文献122

第5章  电力半导体器件的特性和参数124

5.1  双稳态和双瞬态的基本工作状态124

5.1.1  特性与参数关系124

5.1.2  双稳态与双瞬态126

5.1.3  额定值与特征值127

5.2  通态特性及其参数129

5.2.1  单极型器件的通态特性与参数129

5.2.2  双极型和混合型器件的通态特性与参数131

5.2.3  通态中的电阻及并联特性133

5.3  阻态特性及其参数135

5.3.1  器件的阻态特性及其参数135

5.3.2  阴极(阳极)短路发射极结构137

5.3.3  穿通与击穿137

5.4  开通过程及参数140

5.4.1  器件开通的物理过程140

5.4.2  典型器件的开通过程142

5.4.3  放大门极结构(ag)145

5.5  关断过程及其参数146

5.5.1  器件关断的物理过程146

5.5.2  典型器件的关断特性149

5.5.3  反向恢复特性151

5.6  触发的类型和特性152

5.6.1  触发过程的物理现象及参数152

5.6.2  典型器件的触发特性及其参数154

5.7  器件特性及系统安全工作区158

5.7.1  电力半导体器件特性对比158

5.7.2  变换器系统安全工作区161

参考文献164

第6章  电力半导体器件应用特性分析165

6.1  电力半导体器件的串、并联使用165

6.1.1  电力半导体器件的并联使用166

6.1.2  电力半导体器件的串联使用171

6.2  电力半导体器件可靠性和失效分析178

6.2.1  电力半导体器件可靠性概述178

6.2.2  电力半导体器件失效分析180

6.2.3  igbt的失效分析182

6.2.4  igct的失效分析187

6.3  电力半导体器件的保护194

6.3.1  电力半导体器件保护简述194

6.3.2  igbt的保护195

6.3.3  igct的保护199

参考文献203

第7章  变换器中电力半导体器件应用特性分析205

7.1  电力电子变换器的基本换流行为205

7.1.1  变换器的常用拓扑结构206

7.1.2  理想基本拓扑单元及换流行为210

7.1.3  基于电力半导体特性的变换器换流行为214

7.2  吸收电路关键参数设计及优化219

7.2.1  线性吸收电路的假设和定义219

7.2.2  线性吸收电路的参数优化和分析222

7.2.3  igbt吸收电路226

7.2.4  igct吸收电路229

7.3  电力半导体器件特性的相互影响范例分析232

7.3.1  基于igct的三电平逆变器基本换流方式233

7.3.2  三电平逆变器中器件稳态特性相互影响235

7.3.3  三电平逆变器中器件暂态特性相互影响238

参考文献242

第8章  适用于变换器仿真的电力半导体器件建模244

8.1  变换器仿真中的电力半导体器件建模244

8.1.1  对变换器仿真的基本理解244

8.1.2  变换器中器件建模分类246

8.1.3  半导体器件的基本物理现象247

8.1.4  半导体器件的基本仿真方法249

8.2  适用于变换器仿真的igbt模型250

8.2.1  igbt工作机理数学描述251

8.2.2  igbt模型的参数提取和模型实现254

8.2.3  实验和仿真256

8.2.4  igbt模型的应用257

8.3  适用于变换器仿真的igct模型260

8.3.1  igct功能型模型简述260

8.3.2  igct模型结构和参数求解260

8.3.3  igct仿真与实验对比264

8.3.4  igct模型的应用266

8.4  变换器中的开关器件损耗计算以及热路分析270

8.4.1  器件损耗及热阻模型270

8.4.2  基于igbt的两电平变换器损耗分析范例273

8.4.3  基于igct的三电平变换器损耗分析范例277

8.4.4  不同封装器件热路分析对比280

参考文献282