寬禁帶電力電子器件原理與應用（簡體書）

《寬禁帶電力電子器件原理與應用》以碳化矽和氮化鎵電力電子器件為主要對象，首先介紹寬禁帶電力電子器件的現狀與發展，闡述寬禁帶電力電子器件的物理基礎與基本原理；然後介紹寬禁帶電力電子器件的特性與參數，分析寬禁帶電力電子器件在單管電路和橋臂電路中的工作原理與性能特點，闡述寬禁帶電力電子器件的驅動電路設計挑戰、原理與設計方法；最後介紹在寬禁帶電力電子器件特性測試和使用寬禁帶電力電子器件製作電力電子變換器時的一些實際問題。

目錄



前言



第1章 緒論 1



1.1 電力電子器件的基本功能和用途 1



1.2 電力電子器件的優選材料 2



1.2.1 碳化矽材料 2



1.2.2 氮化鎵材料 5



1.3 電力電子器件的基本分類和應用 7



1.3.1 按半導體材料分類 7



1.3.2 按控制特性分類 9



1.3.3 按驅動方式分類 10



1.4 寬禁帶電力電子器件的現狀與發展 10



1.4.1 SiC基電力電子器件 10



1.4.2 GaN基電力電子器件 16



1.4.3 寬禁帶電力電子器件的發展 19



思考題和習題 20



第2章 寬禁帶電力電子器件的物理基礎與基本原理 21



2.1 半導體的物理基礎 21



2.1.1 半導體、導體與絕緣體 21



2.1.2 能帶 22



2.1.3 本征半導體與雜質半導體 25



2.1.4 半導體中的載流子運動 30



2.1.5 PN結 30



2.2 SiC器件的結構與原理 34



2.2.1 SiC基二極管 34



2.2.2 SiC MOSFET 36



2.2.3 SiC JFET 38



2.2.4 SiC BJT 40



2.3 GaN器件的結構與原理 41



2.3.1 不同結構GaN器件 41



2.3.2 GaN基二極管 43



2.3.3 GaN HEMT 44



2.4 本章小結 46



思考題和習題 46



第3章 寬禁帶電力電子器件的特性與參數 47



3.1 雙穩態與雙瞬態的基本工作狀態 47



3.1.1 特性與參數關係 47



3.1.2 雙穩態與雙瞬態 51



3.1.3 額定值與特徵值 52



3.2 SiC器件的特性與參數 54



3.2.1 SiC肖特基二極管的特性與參數 54



3.2.2 SiC MOSFET的特性與參數 61



3.2.3 SiC JFET的特性與參數 72



3.2.4 SiC BJT的特性與參數 89



3.3 GaN器件的特性與參數 92



3.3.1 GaN基二極管的特性與參數 92



3.3.2 Cascode GaN HEMT的特性與參數 95



3.3.3 eGaN HEMT的特性與參數 102



3.3.4 GaN GIT的特性與參數 110



3.4 本章小結 115



思考題和習題 115



第4章 基於寬禁帶電力電子器件的單管和橋臂電路工作原理 117



4.1 單管電路開關過程及特性分析 117



4.1.1 單管電路開關過程分析 117



4.1.2 開關時間與開關損耗的定義 122



4.1.3 開關時間和開關特性的影響因素分析 122



4.1.4 di/dt、du/dt的影響因素分析 124



4.2 理想與實際開關器件和PCB 的區別 126



4.2.1 器件寄生參數 126



4.2.2 PCB 寄生參數 130



4.2.3 開關回路的關鍵走線和開關節點 132



4.3 感性負載下非理想開關過程及特性分析 133



4.3.1 寄生電感對單管開關過程的影響分析 133



4.3.2 寄生電容對單管開關過程的影響分析 135



4.3.3 寄生參數對SiC MOSFET開關特性的影響小結 136



4.4 橋臂電路基本工作原理 138



4.4.1 直通現象與死區設置 138



4.4.2 死區時間定義及其影響分析 141



4.4.3 Buck變換器一週期工作過程分析 142



4.4.4 橋臂電路串擾機理分析 150



4.5 寬禁帶電力電子器件在橋臂電路中的續流工作模式 155



4.5.1 SiC MOSFET橋臂續流方式 156



4.5.2 寬禁帶電力電子器件的第三象限特性 158



4.6 本章小結 163



思考題和習題 163



第5章 寬禁帶電力電子器件驅動電路原理與設計 164



5.1 寬禁帶電力電子器件的驅動電路設計挑戰與要求 164



5.1.1 SiC MOSFET的開關過程及對驅動電路的要求 165



5.1.2 其他寬禁帶器件對驅動電路的要求 174



5.2 SiC器件的驅動電路原理與設計 175



5.2.1 SiC MOSFET的驅動電路原理與設計 175



5.2.2 SiC JFET的驅動電路原理與設計 181



5.2.3 SiC BJT的驅動電路原理與設計 187



5.3 GaN器件的驅動電路原理與設計 195



5.3.1 Cascode GaN HEMT的驅動電路原理與設計 195



5.3.2 eGaN HEMT的驅動電路原理與設計 202



5.3.3 GaN GIT的驅動電路原理與設計 204



5.4 寬禁帶電力電子器件的短路保護 209



5.4.1 寬禁帶電力電子器件短路保護要求 209



5.4.2 短路檢測方法 210



5.4.3 SiC模塊驅動保護方法 211



5.5 高溫驅動技術 214



5.5.1 分立元件高溫驅動技術 214



5.5.2 SOI高溫驅動技術 216



5.5.3 全SiC高溫驅動技術 218



5.6 集成驅動技術 219



5.7 本章小結 221



思考題和習題 221



第6章 寬禁帶電力電子器件的特性測試與應用挑戰 223



6.1 寬禁帶器件的特性測試 223



6.1.1 靜態特性測試方法 223



6.1.2 開關特性測試方法 225



6.1.3 寬禁帶器件特性測試挑戰 229



6.2 寬禁帶器件應用分析 235



6.3 寬禁帶器件高速開關限制因素 241



6.3.1 寄生電感的影響 242



6.3.2 寄生電容的影響 245



6.3.3 驅動電路驅動能力的影響 251



6.3.4 長電纜電壓反射問題 253



6.3.5 電磁兼容問題 254



6.3.6 高壓局放問題 255



6.4 封裝設計挑戰 256



6.5 散熱設計挑戰 258



6.6 高溫變換器設計挑戰 261



6.7 多目標優化設計 264



6.7.1 變換器現有設計方法存在的不足 265



6.7.2 寬禁帶變換器參數優化設計思路 266



6.8 本章小結 269



思考題和習題 270



參考文獻 271