高压IGBT模块应用技术PDF电子书下载

第1章 概述 1

1.1 电力电子技术概述 1

1.2 功率半导体器件的发展 1

1.3 IGBT模块概述 3

1.4 IGBT模块的关键技术 5

1.5 IGBT模块的主要应用领域 8

1.6 IGBT模块的发展趋势 10

参考文献 14

第2章 高压IGBT模块的芯片技术 15

2.1 IGBT的基本结构和工作原理 15

2.2 高压IGBT芯片的发展 16

2.3 高压IGBT芯片的表面栅结构 17

2.3.1 平面栅IGBT 17

2.3.2 沟槽栅IGBT 18

2.4 高压IGBT芯片的纵向结构 18

2.5 英飞凌最新高压IGBT芯片技术介绍：Trench＋FS技术 20

2.6 日立最新高压IGBT芯片技术介绍：Trench HiGT+sLiPT技术 21

2.7 三菱电机最新高压IGBT芯片技术介绍：CSTBTTM+LPT技术 22

2.8 ABB最新高压IGBT芯片技术介绍：Fine planar+SPT＋技术 23

2.9 SiC芯片技术 23

2.10 RC（逆导）IGBT芯片技术 24

参考文献 25

第3章 高压IGBT模块的封装与制造技术 26

3.1 高压IGBT模块的封装与结构 26

3.1.1 高压IGBT模块的封装 26

3.1.2 高压IGBT模块的内部拓扑电路 28

3.1.3 高压IGBT模块的内部结构 29

3.1.4 高压IGBT模块的构成材料 30

3.2 高压IGBT模块制造过程 34

3.2.1 晶圆制备过程 34

3.2.2 芯片制造过程 35

3.2.3 模块组装过程 37

3.2.4 模块组装完成后的测试及包装 37

3.3 高压IGBT模块的可靠性测试 39

3.3.1 可靠性测试概述 39

3.3.2 功率循环可靠性与热循环可靠性 42

3.4 高压IGBT模块封装的技术要求与发展趋势 45

3.5 各制造厂商高压IGBT模块型号的定义 48

参考文献 49

第4章 高压IGBT模块的动静态参数及其测试 50

4.1 如何阅读高压IGBT模块的数据手册 50

4.1.1 绝对最大参数 50

4.1.2 高压IGBT模块的推荐参数 55

4.1.3 特性曲线 61

4.2 高压IGBT模块静态参数的测试方法 68

4.3 高压IGBT模块动态参数的测试方法 72

4.3.1 半桥电路和双脉冲测试 72

4.3.2 高压IGBT模块的开通过程测试与分析 74

4.3.3 高压IGBT模块的关断过程测试与分析 75

4.3.4 高压IGBT模块的反向恢复过程测试与分析 76

4.3.5 FWD的I2t测试 78

4.3.6 高压IGBT模块半桥测试平台的构建 79

参考文献 85

第5章 高压IGBT模块的驱动 86

5.1 高压IGBT模块驱动电路的基本功能和设计要求 86

5.2 高压IGBT模块开通和关断过程中的栅极电压和电流波形 88

5.3 栅极驱动电压的选取 89

5.4 栅极驱动电阻的选取 90

5.5 栅极输出峰值电流和驱动功率的计算 96

5.6 高压IGBT模块驱动电路中的DC/DC变换器 98

5.7 驱动电路的栅极隔离方式 102

5.8 栅极电压钳位技术 103

5.9 外接栅极-发射极电阻RGE和电容CGE 104

5.10 高压IGBT模块驱动的有源钳位技术 106

5.11 高压IGBT模块驱动的di/dt反馈技术 111

5.12 高压IGBT模块分段开通与关断技术 113

5.13 高压IGBT模块驱动的软关断技术 117

5.14 欠电压保护电路 118

5.15 短脉冲抑制电路 119

5.16 死区时间 119

5.16.1 死区效应 119

5.16.2 死区时间的计算方法 120

5.17 驱动电路的布局与栅极布线 124

5.18 栅极电压的测试方法 126

5.19 集成高压IGBT模块驱动器介绍 127

参考文献 130

第6章 高压IGBT模块的保护 131

6.1 高压IGBT模块的过电压保护 131

6.1.1 高压IGBT模块关断浪涌电压产生的原因 131

6.1.2 常用直流侧电压Vdc检测电路 132

6.1.3 吸收电路 133

6.1.4 降低主回路杂散电感量LS 137

6.1.5 驱动电路采用有源钳位抑制浪涌电压尖峰 139

6.2 高压IGBT模块的短路保护 141

6.2.1 短路与过载 141

6.2.2 高压IGBT模块的2种短路模式 142

6.2.3 高压IGBT模块短路能力的评价标准 144

6.2.4 短路故障的检测方法 145

6.2.5 影响短路电流大小的因素 149

6.2.6 降低高压IGBT模块短路时栅极电压峰值的方法 151

6.3 高压IGBT模块的过温保护 155

6.3.1 高压IGBT模块的功耗计算 156

6.3.2 结温的计算 161

6.3.3 高压IGBT模块的冷却方式 164

6.4 高压IGBT模块并联应用时的均流保护 167

6.4.1 影响高压IGBT模块稳态电流均衡的因素 167

6.4.2 影响高压IGBT模块动态电流均衡的因素 170

6.5 高压IGBT模块串联应用时的均压保护 172

6.6 高压IGBT模块安装时的注意事项 176

6.6.1 安装方法 176

6.6.2 导热硅脂的涂抹方法 176

6.6.3 散热器的表面粗糙度和平面度 178

6.7 高压IGBT模块运输与取用时的注意事项 179

6.8 高压IGBT模块保存时的注意事项 180

参考文献 180

第7章 高压IGBT模块的失效原因与失效模式 181

7.1 高压IGBT模块失效分析概述 181

7.2 高压IGBT模块失效与否的判定方法 184

7.2.1 用万用表简单检查高压IGBT模块是否损坏 185

7.2.2 通过参数测量准确判定高压IGBT模块是否失效 186

7.3 高压IGBT模块的失效原因分析 187

7.3.1 超出RBSOA导致的IGBT单元失效原因 188

7.3.2 超出SCSOA导致的IGBT单元失效原因 189

7.3.3 栅极过电压导致的高压IGBT模块失效原因 191

7.3.4 结温过高导致的IGBT单元失效原因 191

7.3.5 FWD单元失效原因 192

7.4 高压IGBT模块的失效模式 196

7.4.1 高压IGBT模块的VCE过电压损坏模式 196

7.4.2 高压IGBT模块的VCE过电压损坏模式 197

7.4.3 高压IGBT模块的过电流损坏模式 197

7.4.4 高压IGBT模块的过热损坏模式 198

7.4.5 功率循环失效模式 199

7.4.6 热循环失效模式 200

7.4.7 RBSOA失效模式 200

7.4.8 SCSOA失效模式 201

7.4.9 RRSOA失效模式 201

参考文献 202

第8章 高压IGBT模块在轨道牵引中的应用 203

8.1 轨道牵引中的电力电子技术概述 203

8.2 轨道牵引中的变流器主电路拓扑 205

8.2.1 电力机车和动车组车辆用牵引变流器的主电路拓扑 206

8.2.2 电力机车和动车组车辆用辅助变流器的主电路拓扑 206

8.2.3 城市轨道交通车辆用牵引逆变器的主电路拓扑 209

8.2.4 城市轨道交通车辆用辅助逆变器的主电路拓扑 210

8.2.5 牵引变流器的构成部件 212

8.3 高压IGBT模块在轨道牵引中的应用 214

8.3.1 轨道牵引变流器中高压IGBT模块电压电流等级的选型 214

8.3.2 对高压IGBT模块短路耐量及I2t的要求 216

8.3.3 对高压IGBT模块关断能力的要求 217

8.3.4 对高压IGBT模块的寿命要求 219

8.3.5 轨道牵引对高压IGBT模块长期直流稳定性的要求 223

8.3.6 四象限脉冲整流器 223

8.3.7 轨道牵引中高压IGBT模块的冷却方式 226

8.4 轨道牵引中的电动机控制策略 227

8.4.1 异步电动机的矢量控制 227

8.4.2 异步电动机的直接转矩控制 236

参考文献 244

第9章 高压IGBT模块在中高压变频器中的应用 246

9.1 中高压变频器概述 246

9.2 高压IGBT模块在功率单元级联中高压变频器中的应用 246

9.2.1 功率单元级联中高压变频器的工作原理 246

9.2.2 功率单元中高压IGBT模块的功耗分布 250

9.2.3 功率单元级联中高压变频器中IGBT模块的选型 251

9.3 高压IGBT模块在二极管钳位三电平中高压变频器中的应用 253

9.3.1 二极管钳位三电平逆变器工作原理 253

9.3.2 二极管钳位三电平逆变器中高压IGBT模块的功耗计算方法 256

9.3.3 二极管钳位三电平逆变器中IGBT模块的吸收电路设计 259

9.3.4 二极管钳位三电平逆变器的中点电位平衡电路 262

9.3.5 二极管钳位三电平中高压变频器中高压IGBT模块的选型 266

9.3.6 二极管钳位三电平电路的短路方式 268

9.4 中高压变频器的其他电路拓扑简介 268

参考文献 269

第10章 高压IGBT模块在VSC-HVDC中的应用 270

10.1 VSC-HVDC技术概述 270

10.2 基于高压IGBT模块直接串联的两电平和三电平电压源换流器 272

10.3 模块化多电平电压源换流器（MMC-VSC） 274

10.3.1 模块化多电平电压源换流器的工作原理 274

10.3.2 模块化多电平电压源换流器中高压IGBT模块的选型 277

参考文献 280

第11章 高压IGBT模块在风力发电中的应用 282

11.1 风力发电概述 282

11.2 风电变流器的主电路拓扑 284

11.2.1 双馈型风电变流器的主电路拓扑 284

11.2.2 直驱型风电变流器的主电路拓扑 284

11.2.3 风电变流器的构成 286

11.3 风力发电应用中对高压IGBT模块的要求 287

11.3.1 风电变流器中高压IGBT模块的选型 287

11.3.2 风电变流器对高压IGBT模块的可靠性要求 288

11.4 高压IGBT模块在低电压穿越中的应用 288

11.5 基于4500V高压IGBT模块的中压风电变流器 291

11.6 高压IGBT模块在高海拔风力发电中的应用 293

11.7 高压IGBT模块在海上风力发电中的应用 295

11.8 高压IGBT模块在风电变流器中的失效原因分析 295

参考文献 296