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