GBT器件 物理、设计与应用PDF电子书下载

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 IGBTI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