译者序

原书序

原书前言

作者简介

第1章 绪论1 

 1.1 IGBT应用范围2 

 1.2 基本的IGBT器件结构2 

 1.3 IGBT发展和商业化历史3 

 1.4 功率等级的扩展8 

 1.5 总结10 

 参考文献11 

第2章 IGBT的结构和工作模式13 

 2.1 对称的D-MOS结构13 

 2.2 非对称的D-MOS结构14 

 2.3 沟槽栅IGBT结构15 

 2.4 透明集电极IGBT结构16 

 2.5 新颖的IGBT结构16 

 2.6 横向IGBT结构18 

 2.7 互补的IGBT结构19 

 2.8 总结19 

 参考文献19 

第3章 IGBT结构设计21 

 3.1 阈值电压21 

 3.2 对称结构IGBT 22 

  3.2.1 阻断电压23 

  3.2.2 开态特性24 

  3.2.3 积累电荷27 

  3.2.4 关断波形29 

  3.2.5 关断损耗31 

  3.2.6 能量损耗折中曲线31 

 3.3 非对称结构IGBT 33 

  3.3.1 阻断电压33 

  3.3.2 开态特性35 

  3.3.3 积累电荷39 

  3.3.4 关断波形41 

  3.3.5 关断损耗44 

  3.3.6 能量损耗折中曲线47 

 3.4 透明集电极IGBT 50 

  3.4.1 阻断电压50 

  3.4.2 开态特性51 

  3.4.3 积累电荷55 

  3.4.4 关断波形55 

  3.4.5 关断损耗58 

  3.4.6 能量损耗折中曲线59 

 3.5 SiC IGBT 62 

  3.5.1 N型非对称SiC IGBT 62 

  3.5.2 阻断电压63 

  3.5.3 导通电压降65 

  3.5.4 关断特性67 

  3.5.5 关断损耗70 

 3.6 优化非对称结构SiC IGBT结构70 

  3.6.1 优化结构设计70 

  3.6.2 导通电压降71 

  3.6.3 关断特性72 

  3.6.4 能量损耗折中曲线73 

  3.6.5 最大工作频率75 

 3.7 总结76 

 参考文献76 

第4章 安全工作区设计79 

 4.1 寄生晶闸管79 

 4.2 抑制寄生晶闸管80 

  4.2.1 深P+扩散80 

  4.2.2 减小栅氧化层厚度81 

  4.2.3 空穴电流分流结构84 

  4.2.4 器件元胞拓扑85 

  4.2.5 抑制闩锁器件结构88 

 4.3 安全工作区89 

  4.3.1 正偏SOA 90 

  4.3.2 反偏SOA 92 

  4.3.3 短路SOA 93 

 4.4 新型硅器件结构94 

 4.5 碳化硅器件95 

 4.6 总结95 

 参考文献96 

第5章 芯片设计､保护和制造97 

 5.1 有源区97 

 5.2 栅极压焊块设计99 

 5.3 边界终端设计101 

 5.4 集成传感器103 

  5.4.1 过电流保护103 

  5.4.2 过电压保护106 

  5.4.3 过温保护107 

 5.5 平面栅器件制造工艺108 

 5.6 沟槽栅器件制造工艺110 

 5.7 寿命控制113 

 5.8 总结114 

 参考文献115 

第6章 封装和模块设计117 

 6.1 分立器件的封装117 

 6.2 改进的分立器件封装119 

 6.3 基本的功率模块120 

 6.4 扁平封装的功率模块122 

 6.5 无金属基板的功率模块123 

 6.6 智能功率模块124 

  6.6.1 双列直插型封装124 

  6.6.2 智能功率单元126 

 6.7 可靠性126 

 6.8 总结127 

 参考文献128 

第7章 门驱动电路设计129 

 7.1 基本的门驱动129 

 7.2 非对称的门驱动130 

 7.3 两级门驱动130 

 7.4 有源栅电压控制131 

 7.5 可变的栅电阻驱动132 

 7.6 数字的门驱动133 

 7.7 小结134 

 参考文献135 

第8章 IGBT模型136 

 8.1 基于物理机制的电路模型136 

  8.1.1 SABER NPT-IGBT电路模型136 

  8.1.2 SABER PT-IGBT电路模型139 

  8.1.3 SABER IGBT电热模型141 

  8.1.4 SABER IGBT1模型142 

 8.2 IGBT模拟行为模型143 

 8.3 模型参数提取144 

 8.4 总结145 

 参考文献145 

第9章 IGBT应用：运输146 

 9.1 汽油驱动的汽车146 

  9.1.1 凯特林机械点火系统146 

  9.1.2 电子点火系统146 

  9.1.3 点火IGBT设计147 

  9.1.4 双电压钳位的点火IGBT设计149 

  9.1.5 智能点火IGBT设计151 

  9.1.6 点火IGBT产品151 

 9.2 电动和混合动力电动汽车152 

  9.2.1 电动汽车逆变器设计152 

  9.2.2 电动汽车IGBT芯片设计155 

  9.2.3 电动汽车再生制动156 

 9.3 电动汽车充电站157 

  9.3.1 电动汽车充电要求157 

  9.3.2 电动汽车充电电路157 

 9.4 电动公共汽车159 

  9.4.1 电动公共汽车控制电路160 

  9.4.2 电动公共汽车充电161 

 9.5 有轨电车和无轨电车162 

 9.6 地铁和机场火车164 

 9.7 电力机车166 

  9.7.1 直流电源总线166 

  9.7.2 交流电源总线167 

  9.7.3 多系统电力机车168 

 9.8 柴油电力机车168 

 9.9 高速电气火车169 

  9.9.1 电动机驱动拓扑结构169 

  9.9.2 IGBT模块设计171 

 9.10 船舶推进装置172 

  9.10.1 滚装货轮174 

  9.10.2 游轮174 

  9.10.3 液化天然气运输船175 

  9.10.4 船舶电路断路器175 

 9.11 全电飞机177 

  9.11.1 DC-DC转换器178 

  9.11.2 DC-AC逆变器178 

  9.11.3 机电飞机舵机执行器179 

  9.11.4 无刷直流电动机驱动179 

  9.11.5 IGBT模块179 

  9.11.6 IGBT的宇宙射线失效180 

 9.12 总结180 

 参考文献180 

第10章 IGBT应用：工业185 

 10.1 工业电动机驱动185 

 10.2 用于电动机控制的可调速驱动186 

 10.3 脉宽调制的可调速驱动187 

  10.3.1 脉宽调制波形187 

  10.3.2 功率损耗折中曲线189 

  10.3.3 功率损耗分析191 

 10.4 工厂自动化192 

  10.4.1 互补的IGBT 193 

  10.4.2 P沟道IGBT设计194 

 10.5 机器人195 

  10.5.1 无电缆线的功率供给195 

  10.5.2 工业机器人控制器196 

  10.5.3 线性执行器197 

  10.5.4 可移动的门式起重机机器人197 

 10.6 焊接198 

  10.6.1 巴克降压转换器199 

  10.6.2 变压器耦合供电200 

  10.6.3 双重效用电源200 

  10.6.4 机器人弧焊200 

  10.6.5 消耗性电极焊接201 

  10.6.6 焊接用IGBT的优化201 

 10.7 感应加热202 

  10.7.1 锻造､退火和管状焊接202 

  10.7.2 流体加热203 

  10.7.3 金属熔化炉204 

  10.7.4 用于感应加热的IGBT设计204 

 10.8 铣削和钻孔机205 

  10.8.1 高速铣削机206 

  10.8.2 高速钻孔机206 

  10.8.3 高速电火花加工206 

 10.9 轧钢厂和造纸厂208 

  10.9.1 金属行业208 

  10.9.2 纸浆和造纸工业209 

 10.10 静电除尘器210 

 10.11 纺织厂211 

 10.12 开采和挖掘212 

 10.13 工业用IGBT的优化213 

 10.14 总结214 

 参考文献215 

第11章 IGBT应用：照明219 

 11.1 三位一体白炽灯220 

 11.2 紧凑型荧光灯221 

  11.2.1 紧凑型荧光灯发光原理221 

  11.2.2 半桥镇流器拓扑222 

  11.2.3 功率晶体管的比较224 

  11.2.4 自激镇流器拓扑225 

  11.2.5 功率因数校正225 

  11.2.6 用于紧凑型荧光灯中的分立IGBT设计225 

  11.2.7 用于紧凑型荧光灯中的集成IGBT设计226 

 11.3 发光二极管228 

  11.3.1 LED驱动器228 

 11.4 闪光灯229 

  11.4.1 闪光电路229 

  11.4.2 用于闪光灯的IGBT设计230 

  11.4.3 专业闪光灯230 

 11.5 氙短弧灯231 

  11.5.1 汽车车头灯231 

  11.5.2 电影院放映机232 

 11.6 频闪成像232 

 11.7 可调光源233 

 11.8 快速热退火233 

 11.9 总结234 

 参考文献234 

第12章 IGBT应用：消费类电子237 

 12.1 大型家用电器238 

  12.1.1 空调（热泵）238 

  12.1.2 电冰箱240 

  12.1.3 洗衣机242 

  12.1.4 微波炉245 

  12.1.5 电磁炉248 

  12.1.6 洗碗机251 

 12.2 小型家用电器252 

  12.2.1 便携式电磁炉和电饭煲253 

  12.2.2 食物处理器（搅碎机，榨汁机，混合器） 254 

  12.2.3 真空吸尘器255 

 12.3 电视机256 

  12.3.1 带有阴极射线管的电视机257 

  12.3.2 等离子电视机258 

  12.3.3 预调节器电路260 

 12.4 应用于消费类电子的IGBT优化261 

  12.4.1 应用于电动机驱动的IGBT优化262 

  12.4.2 应用于电磁炉的IGBT优化263 

  12.4.3 应用于电视机的IGBT优化264 

  12.4.4 应用于功率因数校正的IGBT优化265 

 12.5 总结265 

 参考文献266 

第13章 IGBT应用：医疗270 

 13.1 X射线机270 

  13.1.1 串并联谐振电源272 

  13.1.2 双模电源273 

 13.2 计算机断层扫描273 

  13.2.1 脉宽调制谐振转换器电源274 

  13.2.2 旋转机架中的谐振逆变器电源275 

  13.2.3 固定机架中的谐振逆变器电源275 

 13.3 磁共振成像276 

  13.3.1 双并行四象限直流斩波功率放大器277 

  13.3.2 四并行全桥功率放大器278 

  13.3.3 堆叠式三桥功率放大器279 

  13.3.4 多输出相移功率放大器280 

  13.3.5 级联电压补偿电源282 

  13.3.6 超级电容储能式电源282 

 13.4 医学超声波检查283 

  13.4.1 超声波检查原理284 

  13.4.2 脉冲电源284 

 13.5 除颤器285 

  13.5.1 自动体外除颤器287 

  13.5.2 自动体外除颤器中的能量产生和脉冲形成288 

  13.5.3 植入式心律转复除颤器288 

  13.5.4 用于外科手术的心律转复除颤器289 

 13.6 医疗同步加速器289 

  13.6.1 CNAO励磁线圈电源290 

  13.6.2 群马励磁线圈电源291 

 13.7 医疗激光292 

  13.7.1 脉冲压缩网络电源293 

  13.7.2 电容放电式电源294 

  13.7.3 串并联变压器式电源294 

 13.8 应用于医疗的IGBT设计295 

 13.9 总结295 

 参考文献296 

第14章 IGBT应用：国防299 

 14.1 电力电子构建模块299 

  14.1.1 PEBB-1､PEBB-2和PEBB-3 301 

  14.1.2 海上变频器302 

  14.1.3 并联型有源电力滤波器302 

 14.2 电动军舰302 

  14.2.1 推进驱动选择303 

  14.2.2 海军舰船的动力分布304 

  14.2.3 固态传输开关305 

  14.2.4 固态断路器306 

 14.3 航空母舰307 

  14.3.1 轨道炮炮弹发射器308 

  14.3.2 飞机发射器308 

 14.4 核动力与柴电潜艇309 

  14.4.1 安静的电驱动309 

  14.4.2 IGBT能量循环310 

 14.5 军车310 

  14.5.1 双向直流-直流转换器311 

 14.6 空军喷气式飞机312 

  14.6.1 电力分布架构314 

  14.6.2 便携式轨道炮315 

 14.7 导弹防御315 

  14.7.1 雷达发射机316 

  14.7.2 速调管雷达电源316 

  14.7.3 多普勒雷达脉冲电源317 

  14.7.4 灵活的镜面雷达318 

  14.7.5 用于战区导弹防御的地面雷达319 

 14.8 用于国防的IGBT 319 

  14.8.1 脉冲功率容量319 

  14.8.2 可靠性320 

 14.9 总结321 

 参考文献321 

第15章 IGBT应用：可再生能源325 

 15.1 水力发电325 

  15.1.1 大型电站326 

  15.1.2 小型电站327 

  15.1.3 分离电压和频率控制器327 

  15.1.4 辅助发电单元328 

 15.2 光伏能源328 

  15.2.1 光伏逆变器的拓扑结构330 

  15.2.2 基于高效高可靠性逆变器概念的光伏逆变器330 

  15.2.3 三相光伏逆变器330 

  15.2.4 非隔离交互式光伏逆变器331 

  15.2.5 非隔离降压-升压光伏逆变器332 

  15.2.6 光伏逆变器最大功率点跟踪电路332 

  15.2.7 电流源光伏逆变器332 

  15.2.8 三相电流源光伏逆变器333 

  15.2.9 商业光伏转换器333 

  15.2.10 光伏能量存储334 

  15.2.11 应用于光伏的IGBT 335 

 15.3 风能336 

  15.3.1 风力发电机的配置337 

  15.3.2 基本转换器的拓扑结构338 

  15.3.3 海上风电安装338 

  15.3.4 中国沿海风电安装339 

  15.3.5 欧洲沿海风电安装340 

  15.3.6 单机风电安装341 

  15.3.7 应用于风电的IGBT 342 

 15.4 波浪能343 

  15.4.1 鱼鹰波能344 

  15.4.2 波龙能源345 

  15.4.3 螺纹浮标能346 

 15.5 潮汐能347 

 15.6 地热能347 

  15.6.1 发电体系结构347 

 15.7 总结348 

 参考文献350 

第16章 IGBT应用：电力传输353 

 16.1 高压直流传输353 

 16.2 高压直流组件354 

 16.3 高压直流趋势355 

  16.3.1 格拉茨桥355 

  16.3.2 基于电流源转换器的高压直流拓扑356 

  16.3.3 静态同步补偿器357 

 16.4 交流电力传输357 

  16.4.1 灵活的交流输电系统358 

  16.4.2 静态无功补偿器359 

  16.4.3 静态同步补偿器359 

  16.4.4 轻型静态无功补偿器360 

  16.4.5 在中国应用的静态无功补偿器和静态同步补偿器360 

  16.4.6 城市的静态同步补偿器设计360 

 16.5 高压直流背靠背转换器361 

 16.6 离岸电力传输361 

  16.6.1 石油钻井平台的电力传输361 

  16.6.2 风电场输电362 

 16.7 优质电力园区363 

 16.8 应用于电力传输的IGBT设计364 

 16.9 总结364 

 参考文献365 

第17章 IGBT应用:金融367 

 17.1 电源设备367 

 17.2 电源可靠性和质量368 

 17.3 动态电压恢复器368 

 17.4 不间断电源369 

  17.4.1 富士电机公司的200kV•A不间断电源370 

  17.4.2 藤仓公司的10kV•A不间断电源371 

  17.4.3 东芝公司的500kV•A不间断电源372 

  17.4.4 汤浅公司的3kV•A不间断电源373 

  17.4.5 大金公司的不间断电源375 

  17.4.6 单级不间断电源拓扑375 

  17.4.7 无变压器的300kV•A不间断电源376 

 17.5 优质的电力园区378 

 17.6 应用于不间断电源的IGBT设计379 

 17.7 总结380 

 参考文献381 

第18章 IGBT应用：其他382 

 18.1 智能家居382 

  18.1.1 智能插座和智能开关382 

  18.1.2 智能功率模块383 

 18.2 打印和复印机384 

 18.3 感应电力传输386 

  18.3.1 舞台照明386 

  18.3.2 嵌入式电动车充电器387 

 18.4 机场安全X射线扫描仪388 

 18.5 脉冲电源389 

  18.5.1 马克思高压脉冲发生器389 

  18.5.2 离子注入389 

 18.6 粒子物理391 

  18.6.1 斯坦福直线加速器391 

  18.6.2 国际直线对撞机392 

  18.6.3 费米实验室主注入机393 

  18.6.4 日本强子设施394 

  18.6.5 欧洲核子研究中心的大型强子对撞机395 

 18.7 脉冲激光器397 

 18.8 食品杀菌397 

 18.9 水处理399 

  18.9.1 杀菌400 

  18.9.2 海水淡化401 

  18.9.3 污水处理403 

  18.9.4 水管的污染403 

 18.10 石油开采403 

  18.10.1 油管加热404 

  18.10.2 海下石油开采405 

  18.10.3 阿萨巴斯卡油砂406 

 18.11 石油化工装置406 

 18.12 天然气液化407 

 18.13 超导磁存储407 

 18.14 核聚变能量408 

 18.15 备用发电机410 

 18.16 过山车410 

 18.17 美国国家航空航天局412 

  18.17.1 航天飞机主发动机推力控制412 

  18.17.2 航天飞机轨道机动系统413 

  18.17.3 国际航天飞机配电414 

  18.17.4 航天飞机动力分布414 

  18.17.5 载人星际任务414 

  18.17.6 低温电力电子415 

  18.17.7 IGBT故障分析416 

 18.18 总结416 

 参考文献416 

第19章 IGBT社会影响421 

 19.1 电子点火系统422 

  19.1.1 燃油节省422 

  19.1.2 消费者成本节省424 

  19.1.3 二氧化碳减排424 

19.2 可调速电动机驱动427 

  19.2.1 电能节省428 

  19.2.2 电力成本节省429 

  19.2.3 二氧化碳减排430 

 19.3 紧凑型荧光灯431 

  19.3.1 电能节省434 

  19.3.2 电费节省435 

  19.3.3 二氧化碳减排436 

 19.4 总结437 

 参考文献439 

第20章 总述441 

 20.1 最先进的IGBT产品441 

 20.2 宽禁带半导体器件443 

  20.2.1 成本分析446 

 20.3 总结446 

 参考文献447

附录 英文缩略语表 448