高压IGBT模块应用技术

本书全面阐述了高压IGBT模块的芯片、封装制造、测试与应用技术。在应用技术中又着重介绍了高压IGBT模块的驱动、保护、失效分析以及在轨道牵引、高压变频、风力发电和高压直流输配电中的应用要点。本书内容新颖、全面。

前言
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
1.3IGBT模块概述3
1.4IGBT模块的关键技术5
1.5IGBT模块的主要应用领域8
1.6IGBT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
2.1IGBT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IGBT17
2.3.2沟槽栅IGBT18
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：TrenchHiGT+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
2.8ABB最新高压IGBT芯片技术介绍：Fineplanar+SPT+技术23
2.9SiC芯片技术23
2.10RC(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
4.3.5FWD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CGE104
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LS137
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
7.3.5FWD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VGE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
7.4.7RBSOA失效模式200
7.4.8SCSOA失效模式201
7.4.9RRSOA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
10.1VSC-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

电能是世界上最重要的能源之一。从电网得到的工频电能需要经过转换，变成不同用途、不同性质、不同容量、不同频率的电能，才能适用千变万化的用电装置的需求。电力电子技术就是基于功率半导体器件对电能进行转换与控制的技术。功率半导体器件是电力电子技术的物质基础，也是电力电子装置的核心部件。 目前电力电子技术已经发展成为应用最广泛、受关注度最高的技术之一，并且仍在以飞快的速度发展着。这也使得功率半导体器件的市场规模越来越大，应用领域不断扩展。在功率半导体器件中占主导地位的IGBT模块尤其令人瞩目。目前，国内专门介绍IGBT模块应用技术的书籍较少，针对高压IGBT模块应用的专著几乎没有。为此，作者根据自己的工作经验编写了这本介绍高压IGBT模块应用的手册。 本书系统地阐述了高压IGBT模块的应用技术。全书共分为11章，第1章为概述，概括介绍了高压IGBT模块的关键技术、应用领域和发展趋势；第2章简单介绍了高压IGBT模块的芯片技术；第3章介绍了高压IGBT模块的封装与制造技术；第4章阐述了高压IGBT模块的动静态特性和参数及其测试方法；第5章阐述了高压IGBT模块的驱动技术，包括栅极驱动电阻、栅极钳位电路、栅极发射极电阻和外接电容和推挽电路、VCE检测及短路保护电路、有源钳位电路、光纤隔离电路以及DC/DC隔离电源；第6章重点分析了高压IGBT模块的保护技术，包括过电压保护、短路保护和过温保护，以及并联时的均流保护和串联的均压保护；第7章着重讲述了高压IGBT模块的失效原因和失效模式；第8章介绍了高压IGBT模块在轨道牵引中的应用；第9章介绍了高压IGBT模块在中高压变频器中的应用；第10章介绍了高压IGBT模块在VSCHVDC中的应用；第11章讲述了高压IGBT模块在风力发电中的应用。 本书的编写参考了英飞凌公司、日立公司、三菱电机公司、ABB公司和富士电机公司等世界知名功率半导体器件制造商的相关应用技术资料，同时参阅了大量的论著文献。 本书编写过程中，在资料收集和技术信息交流方面得到了国内外专家学者的大力支持。英飞凌公司的MrKeggenhoff、三菱电机公司的仓地和博先生、CTConcept公司的魏炜先生、Inpower公司的虞军毅先生在本书的编写过程中给予了多方面的大力支持，在此向他们表示衷心的感谢！非常感谢工作中的同事和朋友，与他们的技术交流让作者受益匪浅。株洲南车时代电气股份有限公司的李华先生和马伯乐先生、合肥阳光电源股份有限公司的陶磊先生、金风科技股份有限公司的高绪华先生、上海电气集团公司的陈国栋先生、南瑞继保电气有限公司的汪涛先生、国网电科院的苗亚先生、北京交通大学的黄先进先生等都是从事高压IGBT模块应用的专家，他们的技术见解拓宽了作者的思路，在此一并表示感谢！ 本书非常适合电力电子装置设计工程师和功率半导体应用技术人员参考和使用，无论从事哪个领域的开发设计，本书都会有所助益。同时本书对在大专院校里从事电力电子技术研究的师生也很有帮助。 由于作者水平有限，编写时间仓促，书中疏漏及错误之处在所难免，恳请广大读者批评指正。