Power Electronics Handbooks-M H. Rashid PDF

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POWER ELECTRONICS HANDBOOK Academic Press Series in Engineering J. David Irwin, Auburn University, Series Editor This is a series that will include handbooks, textbooks, and professional reference books on cutting-edge areas of engineering. Also included in this series will be single-authored profes...

Description

POWER ELECTRONICS HANDBOOK

Academic Press Series in Engineering J. David Irwin, Auburn University, Series Editor This is a series that will include handbooks, textbooks, and professional reference books on cutting-edge areas of engineering. Also included in this series will be single-authored professional books on state-of-the-art techniques and methods in engineering. Its objective is to meet the needs of academic, industrial, and governmental engineers, as well as to provide instructional material for teaching at both the undergraduate and graduate level. The series editor, J. David Irwin, is one of the best-known engineering educators in the world. Irwin has been chairman of the electrical engineering department at Auburn University for 27 years. Published books in the series: Control of Induction Motors, 2001, A. Trzynadlowski Embedded Microcontroller Interfacing for McoR Systems, 2000, G. J. Lipovski Soft Computing & Intelligent Systems, 2000, N. K. Sinha, M. M. Gupta Introduction to Microcontrollers, 1999, G. J. Lipovski Industrial Controls and Manufacturing, 1999, E. Kamen DSP Integrated Circuits, 1999, L. Wanhammar Time Domain Electromagnetics, 1999, S. M. Rao Single- and Multi-Chip Microcontroller Interfacing, 1999, G. J. Lipovski Control in Robotics and Automation, 1999, B. K. Ghosh, N. Xi, and T. J. Tarn

POWER ELECTRONICS HANDBOOK EDITOR-IN-CHIEF

MUHAMMAD H. RASHID Ph.D., Fellow IEE, Fellow IEEE Professor and Director University of Florida=University of West Florida Joint Program and Computer Engineering University of West Florida Pensacola, Florida

SAN DIEGO = SAN FRANCISCO = NEW YORK = BOSTON = LONDON = SYDNEY = TOKYO

This book is printed on acid-free paper.

Copyright # 2001 by ACADEMIC PRESS All rights reserved. No part of this publication may be reproduced or transmitted in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopy, recording, or any information storage and retrieval system, without permission in writing from the publisher. Requests for permission to make copies of any part of the work should be mailed to: Permissions Department, Harcourt, Inc., 6277 Sea Harbor Drive, Orlando, Florida 32887-6777. Explicit permission from Academic Press is not required to reproduce a maximum of two figures or tables from an Academic Press chapter in another scientific or research publication provided that the material has not been credited to another source and that full credit to the Academic Press chapter is given. ACADEMIC PRESS A Harcourt Science and Technology Company 525 B Street, Suite 1900, San Diego, California 92101-4495, USA http:==www.academicpress.com Academic Press Harcourt Place, 32 Jamestown Road, London NW1 7BY, UK http:==www.academicpress.com Library of Congress Catalog Card Number: 00-2001088199 International Standard Book Number: 0-12-581650-2 Printed in Canada 01 02 03 04 05 06 FR 9 8 7 6 5 4 3 2 1

Contents

Preface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . List of Contributors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

Introduction Philip Krein . . . . . . 1.1 Power Electronics Defined. . . . 1.2 Key Characteristics. . . . . . . . . 1.3 Trends in Power Supplies . . . . 1.4 Conversion Examples . . . . . . . 1.5 Tools For Analysis and Design . 1.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . .

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The 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 2.6 2.7 2.8

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Thyristors Jerry Hudgins, Enrico Santi, Antonio Caiafa, Katherine Lengel, and Patrick 3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.2 Basic Structure and Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.3 Static Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.4 Dynamic Switching Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.5 Thyristor Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.6 Types of Thyristors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.7 Gate Drive Requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.8 PSpice Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3.9 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Gate Turn-Off Thyristors Muhammad H. Rashid 4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Basic Structure and Operation . . . . . . . . . . . 4.3 GTO Thyristor Models . . . . . . . . . . . . . . . . 4.4 Static Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.5 Switching Phases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.6 SPICE GTO Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.7 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Power Diode Ali I. Maswood . . . . . . . Diode as a Switch . . . . . . . . . . . . . . . Some Properties of PN Junction . . . . . Common Diode Types . . . . . . . . . . . . Typical Diode Ratings . . . . . . . . . . . . Snubber Circuits for Diode . . . . . . . . . Series and Parallel Connection of Power Typical Applications of Diodes . . . . . . Standard Datasheet for Diode Selection

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R. .. .. .. .. .. .. .. .. ..

Palmer . ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ...... ......

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Contents

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Power Bipolar Transistors Marcelo Godoy Simo˜es . . . 5.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Basic Structure and Operation . . . . . . . . . . . . . 5.3 Static Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.4 Dynamic Switching Characteristics . . . . . . . . . . 5.5 Transistor Base Drive Applications. . . . . . . . . . . 5.6 SPICE Simulation of Bipolar Junction Transistors 5.7 BJT Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

6

The 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 6.9

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Insulated Gate Bipolar Transistor S. Abedinpour 7.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.2 Basic Structure and Operation . . . . . . . . . . 7.3 Static Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.4 Dynamic Switching Characteristics . . . . . . . 7.5 IGBT Performance Parameters . . . . . . . . . . 7.6 Gate-Drive Requirements . . . . . . . . . . . . . . 7.7 Circuit Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7.8 Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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MOS Controlled Thyristors (MCTs) S. Yuvarajan . 8.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.2 Equivalent Circuit and Switching Characteristics 8.3 Comparison of MCT and Other Power Devices . 8.4 Gate Drive for MCTs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.5 Protection of MCTs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.6 Simulation Model of an MCT. . . . . . . . . . . . . 8.7 Generation-1 and Generation-2 MCTs . . . . . . . 8.8 N-channel MCT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.9 Base Resistance-Controlled Thyristor [14]. . . . . 8.10 MOS Turn-Off Thyristor [15] . . . . . . . . . . . . . 8.11 Applications of PMCT . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.12 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8.13 Appendix. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

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Static Induction Devices Bogdan M. Wilamowski . 9.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9.2 Theory of Static Induction Devices . . . . . . . . 9.3 Characteristics of Static Induction Transistor. . 9.4 Bipolar Mode Operation of SI Devices (BSIT). 9.5 Emitters for Static Induction Devices . . . . . . . 9.6 Static Induction Diode (SID) . . . . . . . . . . . . 9.7 Lateral Punch-Through Transistor (LPTT) . . . 9.8 Static Induction Transistor Logic (SITL). . . . . 9.9 BJT Saturation Protected by SIT . . . . . . . . . . 9.10 Static Induction MOS Transistor (SIMOS) . . .

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Power MOSFET Issa Batarseh . . . . . . . . . . . . . . . Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . The Need for Switching in Power Electronic Circuits General Switching Characteristics . . . . . . . . . . . . . The Power MOSFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MOSFET Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . MOSFET Regions of Operation. . . . . . . . . . . . . . . MOSFET PSPICE Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . Comparison of Power Devices . . . . . . . . . . . . . . . Future Trends in Power Devices . . . . . . . . . . . . . .

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and K. Shenai . ........... ........... ........... ........... ........... ........... ........... ...........

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vii

Contents

9.11 9.12 9.13 9.14

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