集成电路科学与工程丛书-IGBT器件:物理、设计与应用(原书第2版)

本书详细介绍了绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的结构和工作原理、单元结构的设计；整个芯片架构，包括有源区、栅极焊盘和边缘终端；保护电路；用于控制所述器件的栅极驱动电路；电路仿真模型。经过作者的构思和商业化，在过去的40年里，IGBT已成为大部分经济部门电源管理的重要器件。本书提供了各个经济部门中用于每个IGBT应用的电路拓扑，以及IGBT器件结构的优化以最大限度地提高其性能。IGBT在节约能源、节约成本和减少二氧化碳排放方面对全球数十亿人产生的巨大社会影响也得到了量化。本书提供了900多个参考文献，供读者更深入地探索这些主题，其中包括自本书第1版以来出版的许多出版物。 本书内容深入浅出，适合电力电子、微电子、功率器件、功率IC设计与制造领域的研究人员、技术人员阅读，也可作为高等院校相关专业高年级本科生和研究生的参考书。

B.Jayant Baliga博士，北卡罗来纳州立大学“杰出大学教授”，美国国家工程院院士，IEEE会士。Baliga教授是国际公认的功率半导体器件领域的专家，发表了700多篇学术文章，拥有122项美国专利。他在IGBT概念、开发和商业化方面的工作得到了美国奥巴马总统的认可，获得了2011年美国国家技术与创新奖章——美国政府授予工程师的最高荣誉，以及2014年IEEE荣誉勋章——电气工程领域的最高荣誉。

目录序第2版前言第1版前言作者简介第1章 引言11.1IGBT应用范围21.2IGBT器件的基本结构31.3IGBT的发展和商业化历史31.4额定功率的比例调整91.5小结12参考文献12第2章 IGBT结构和工作模式162.1对称D-MOS结构162.2非对称D-MOS结构182.3沟槽栅IGBT结构192.4透明发射极IGBT结构192.5新型IGBT结构202.6横向IGBT结构222.7互补IGBT结构232.8先进的IGBT结构242.9小结25参考文献25第3章 IGBT结构设计273.1阈值电压273.2对称IGBT结构293.2.1阻断电压293.2.2通态特性313.2.3存储的电荷353.2.4关断开关波形363.2.5关断功率损耗393.2.6功率损耗权衡曲线403.3非对称IGBT结构413.3.1阻断电压413.3.2通态特性433.3.3存储的电荷503.3.4关断开关波形523.3.5关断功率损耗563.3.6功率损耗权衡曲线583.4透明发射极IGBT结构613.4.1阻断电压623.4.2通态特性623.4.3存储的电荷673.4.4关断开关波形693.4.5关断功率损耗713.4.6功率损耗权衡曲线723.5SiC IGBT结构753.5.1N沟道非对称SiC IGBT结构763.5.2阻断特性773.5.3通态压降793.5.4关断特性833.5.5每个周期的开关能量损耗853.6优化非对称SiC IGBT结构853.6.1优化结构设计853.6.2通态压降863.6.3关断特性883.6.4功率损耗权衡曲线903.6.5最大工作频率903.7小结92参考文献92第4章 安全工作区设计954.1寄生晶闸管954.2抑制寄生晶闸管964.2.1深P+扩散974.2.2减小栅氧化层厚度984.2.3分流结构1004.2.4单元拓扑1014.2.5防闩锁结构1054.3安全工作区(SOA)1064.3.1正向偏置SOA1074.3.2反向偏置SOA1094.3.3短路SOA1104.4新型硅器件结构1114.5SiC器件1124.6小结113参考文献113第5章 芯片设计、保护和制造1155.1有源区1155.2栅极焊盘设计1175.3边缘终端设计1195.4集成传感器1205.4.1过电流保护1215.4.2过电压保护1235.4.3过温保护1255.5平面栅器件制造工艺1265.6沟槽栅器件制造工艺1285.7寿命控制1315.8小结133参考文献133第6章 封装和模块设计1356.1分立器件封装1356.2改进的分立器件封装1376.3基本功率模块1386.4扁平封装功率模块1406.5无金属基板的功率模块1426.6智能功率模块1446.6.1双列直插式封装1446.6.2智能功率模块介绍1466.7可靠性1476.8小结148参考文献148第7章 栅极驱动电路设计1507.1基本栅极驱动1507.2非对称栅极驱动1517.3两级栅极驱动1527.4有源栅极电压控制1527.5可变栅极电阻驱动1547.6数字栅极驱动1567.7短路保护1577.8磁耦合栅极驱动1587.9Posicast栅极驱动1587.10降低EMI栅极驱动1597.11BaSIC拓扑1607.12小结162参考文献162第8章 IGBT电路模型1658.1基于物理的电路模型1658.1.1SABER NPT-IGBT电路模型1658.1.2SABER PT-IGBT电路模型1698.1.3SABER IGBT电热电路模型1718.1.4SABER IGBT1模型1728.2IGBT模拟行为模型1738.3模型参数提取1768.4小结176参考文献176第9章 IGBT应用：运输业1789.1汽油动力车辆1789.1.1凯特林机械点火系统1789.1.2电子点火系统1799.1.3点火IGBT设计1819.1.4双电压钳位点火IGBT设计1829.1.5智能点火IGBT设计1839.1.6点火IGBT产品1849.2辅助汽车驱动器1859.3电动和混合动力电动汽车1859.3.1电动汽车逆变器设计1869.3.2电动汽车IGBT芯片设计1899.3.3电动汽车再生制动1909.4电动汽车充电站1919.4.1电动汽车充电要求1919.4.2电动汽车充电电路1939.4.3现代电动汽车充电站1939.5电动公共汽车1959.5.1电动公共汽车控制电路1959.5.2电动公共汽车充电1969.5.3感应式电动公共汽车充电1989.6有轨电车和无轨电车1989.7地铁和机场列车2019.8电力机车2039.8.1直流电源母线2039.8.2交流电源母线2039.8.3多系统电动列车2049.9柴油电力机车2059.10高速电动列车2069.10.1电动机驱动拓扑2079.10.2IGBT模块设计2089.11货运列车2109.12船舶推进2109.12.1滚装船2129.12.2游轮2129.12.3液化天然气运输船2139.12.4船舶电路断路器2139.13全电商用飞机2159.13.1DC-DC变换器2159.13.2DC-AC逆变器2169.13.3机电式飞机方向舵执行器2179.13.4无刷直流电动机驱动2179.14全电通勤飞机2189.14.1民用倾转旋翼机2189.14.2有源中点钳位逆变器驱动2189.14.3客运无人机2199.15用于飞机的IGBT模块2209.16IGBT宇宙射线故障2209.17小结220参考文献221第10章 IGBT应用：工业22710.1工业电动机驱动22710.2用于电动机控制的可调速驱动22810.3脉宽调制可调速驱动23010.3.1PWM波形23110.3.2功率损耗权衡曲线23110.3.3功率损耗分析23410.4工厂自动化23610.4.1互补的IGBT23710.4.2P沟道IGBT设计23710.5机器人23910.5.1无线缆电源23910.5.2工业机器人控制器24010.5.3线性执行器24110.5.4移动式龙门起重机机器人24210.6焊接24310.6.1降压变换器24410.6.2变压器耦合电源24410.6.3双市电电源24410.6.4机器人电弧焊接24510.6.5消耗性电极焊接24510.6.6焊接用IGBT的优化24610.7感应加热24710.7.1锻造、退火和管材焊接24710.7.2流体加热24810.7.3金属熔炉24810.7.4用于感应加热的IGBT设计24910.8铣床和钻床25010.8.1高速铣床25110.8.2高速钻床25110.8.3高速电火花加工25210.9钢铁厂和造纸厂25310.9.1金属工业25410.9.2纸浆和造纸工业25510.10静电除尘器25610.11纺织厂25710.12采矿和挖掘25810.13工业应用的IGBT优化25910.14低功率IPM26110.15死区补偿26110.16混合Si IGBT/SiC MOSFET开关26210.17小结262参考文献263第11章 IGBT应用：照明26711.1三位一体白炽灯26811.2紧凑型荧光灯(CFL)27011.2.1CFL发光27111.2.2半桥镇流器拓扑27111.2.3功率晶体管比较27311.2.4自谐振镇流器拓扑27411.2.5功率因数校正27511.2.6用于CFL的分立IGBT设计27511.2.7用于CFL的集成IGBT设计27611.3发光二极管(LED)27711.3.1LED驱动器27811.3.2常规LED驱动器27911.3.3多个串联/并联 LED 驱动器28011.3.4传导EMI28011.4频闪闪光灯28111.4.1频闪电路28211.4.2用于频闪灯的IGBT设计28211.4.3专业闪光灯28311.5氙气短弧灯28411.5.1汽车前照灯28411.5.2电影院放映机28511.6频闪成像28611.7可调光灯具28611.8快速热退火28611.9基于LED的内窥镜28711.10小结288参考文献288第12章 IGBT应用：消费类29112.1大型电器29212.1.1空调（热泵）29312.1.2电冰箱29412.1.3洗衣机29712.1.4微波炉30012.1.5电磁炉灶具30412.1.6洗碗机30812.2小家电31012.2.1便携式电磁炉和电饭煲31012.2.2食品料理机（搅拌机、榨汁机、混合器）31112.2.3真空吸尘器31312.3电视机31512.3.1CRT电视机31512.3.2等离子电视机31712.3.3预调节器电路31912.4面向消费类应用的IGBT设计优化32012.4.1电动机驱动的IGBT优化32012.4.2用于电磁炉的IGBT优化32212.4.3用于电视机的IGBT优化32312.4.4用于功率因数校正的IGBT优化32512.5小结326参考文献327第13章 IGBT应用：医疗33113.1X射线机33213.1.1串并联谐振电源33313.1.2双模电源33413.2计算机断层扫描33513.2.1PWM谐振变换器电源33613.2.2旋转龙门架谐振逆变器电源33713.2.3固定龙门谐振逆变器电源33813.3磁共振成像33913.3.1双并联四象限直流斩波功率放大器34013.3.2四并联全桥功率放大器34013.3.3堆叠式三桥功率放大器34213.3.4多输出移相功率放大器34313.3.5串联电压补偿电源34513.3.6超级电容器储能电源34613.4医学超声检查34713.4.1超声检查原理34713.4.2脉冲电源34813.5除颤器35013.5.1AED35213.5.2AED中的能量产生和脉冲形成35313.5.3植入式心律转复除颤器35313.5.4外科用心脏转复除颤器35413.6医用同步加速器35413.6.1CNAO磁线圈电源35613.6.2群马磁线圈电源35713.7医用激光35813.7.1脉冲压缩网络电源35913.7.2电容器放电电源36013.7.3串/并联变压器电源36013.8灭菌和消毒36113.9医疗应用的IGBT设计36213.10小结363参考文献363第14章 IGBT应用：国防36714.1电力电子构建模块(PEBB)36814.1.1PEBB-1、PEBB-2和PEBB-337014.1.2海军变频器37014.1.3并联有源电力滤波器37114.1.4三电平ANPC-VSC PEBB37114.1.5用于多电飞机的PEBB37114.2电动战舰37214.2.1推进驱动选项37314.2.2海军舰载配电37514.2.3固态转换开关37514.2.4固态断路器37614.2.5直接转换系统37814.2.6混合ANPC H桥系统37814.3航空母舰37914.3.1轨道炮炮弹发射器37914.3.2飞机发射器38114.4核潜艇和柴电潜艇38114.4.1静音电驱动38114.4.2IGBT能量循环38214.5军用车辆38314.5.1双向DC-DC变换器38414.6空军喷气式飞机38614.6.1配电架构38714.6.2便携式轨道炮38714.7导弹防御38914.7.1雷达发射机39014.7.2速调管雷达电源39014.7.3多普勒雷达脉冲电源39114.7.4敏捷镜面雷达39214.7.5战区导弹防御用地面雷达39314.8国防应用IGBT39414.8.1脉冲功率容量39414.8.2可靠性39414.9小结396参考文献397第15章 IGBT应用：可再生能源40015.1水力发电40115.1.1大型发电厂40215.1.2小型发电厂40315.1.3电压和频率解耦控制器40315.1.4辅助发电机组40415.2光伏发电40415.2.1光伏逆变器拓扑40615.2.2HERIC光伏逆变器40715.2.3三相光伏逆变器40815.2.4非隔离交互式光伏逆变器40815.2.5非隔离降压-升压光伏逆变器40915.2.6光伏逆变器最大功率点跟踪电路40915.2.7电流源光伏逆变器41015.2.8三相电流源光伏逆变器41015.2.9商用光伏变换器41115.2.10太阳能发电场NPC2拓扑41115.2.11家用太阳能双源多电平逆变器41215.2.12光伏储能41315.2.13光伏应用中的IGBT41415.3风力发电41515.3.1风力发电机配置41615.3.2基本变换器拓扑41715.3.3海上风力发电装置41815.3.4中国海上风电装置42115.3.5欧洲海上风电装置42115.3.6独立风电装置42115.3.7用于无功功率补偿的STATCOM42215.3.8用于风力发电的IGBT42215.4波浪发电42515.4.1OSPREY波浪发电42615.4.2波浪龙发电42715.4.3Bolt浮筒发电42815.4.4最佳阻尼策略42915.4.5振荡水柱42915.5潮汐能42915.6地热能43015.6.1发电系统架构43115.7小结431第16章 IGBT应用：电力传输43916.1高压直流（HVDC）输电43916.2HVDC组件44116.3HVDC趋势44116.3.1格拉茨桥44216.3.2基于CSC的HVDC44316.3.3STATCOM44416.3.4自供电IGBT开关44416.3.5冰球压接IGBT设计44516.3.6VSC-HVDC的IGBT额定值44516.4交流输电44616.4.1柔性交流输电系统（FACTS）44716.4.2SVC44716.4.3STATCOM44816.4.4轻型SVC44816.4.5SVC和STATCOM在中国44916.4.6城市STATCOM设计44916.4.7STATCOM稳定性分析45016.5HVDC背靠背变换器45016.6海上输电45016.6.1石油钻井平台电力传输45016.6.2风电场输电45116.7优质电力园区45216.8用于电力传输的IGBT设计45316.9小结454参考文献455第17章 IGBT应用：金融45717.1电能质量设备45717.2电力可靠性和质量45817.3动态电压恢复器45917.4不间断电源(UPS)46017.4.1富士电机公司的200kVA UPS46017.4.2藤仓公司的10kVA UPS46217.4.3东芝公司的500kVA UPS46317.4.4汤浅公司的3kVA UPS46417.4.5大金公司的UPS46617.4.6单级UPS拓扑46617.4.7无变压器300kVA UPS46717.4.8带静态转换开关的UPS46917.4.9三相四线制混合频率并联UPS47017.5优质电力园区47017.6UPS的IGBT设计47117.7IGBT UPS故障模式47217.8小结472参考文献473第18章 IGBT应用：储能47518.1抽水蓄能47618.1.1变速抽水蓄能电站47718.1.2电压骤降补偿47718.1.3稳定风能和太阳能可再生能源47818.2其他储能技术47818.2.1利用超级电容器储能缓解风电故障穿越47918.2.2通过电池储能缓解太阳能电压波动47918.2.3电池储能系统47918.2.4模糊逻辑控制的STATCOM48018.3数据中心储能48018.3.1储能选项48018.3.2分布式储能48118.3.3直流电压分配48218.4小结482参考文献482第19章 IGBT应用：其他48419.1智能家居48419.1.1智能插座和智能开关48519.1.2智能电源模块48519.2打印机和复印机48619.3感应电能传输48819.3.1舞台照明48819.3.2嵌入式电动汽车充电器48919.4机场安检X射线扫描仪49019.5脉冲功率49219.5.1马克思高压脉冲发生器49219.5.2离子注入49219.5.3癌症治疗脉冲发生器49419.6粒子物理49419.6.1斯坦福直线加速器49519.6.2国际直线对撞机49519.6.3费米实验室主注入机49719.6.4日本强子对撞机49719.6.5欧洲核子研究中心的大型强子对撞机49819.6.6散裂中子源50019.7脉冲激光器50019.7.1电源50119.7.2IGBT模块50119.8食品灭菌50119.9水处理50419.9.1消毒50419.9.2海水淡化50519.9.3污水处理50719.9.4水管结垢50819.9.5工业和制药污染50819.10石油开采50819.10.1油管加热50919.10.2海底石油开采51019.10.3阿萨巴斯卡油砂51119.11石化厂51219.12气体液化51219.13超导磁存储51319.14聚变能51319.15备用发电机51519.16过山车51619.17美国国家航空航天局51819.17.1航天飞机主发动机推力控制51919.17.2航天飞机轨道机动系统52019.17.3航天飞机配电52019.17.4国际空间站配电52119.17.5载人星际任务52219.17.6低温电力电子52219.17.7IGBT故障分析52219.18小结523参考文献523第20章 IGBT的社会影响52920.1电子点火系统53020.1.1节省燃料53120.1.2消费者成本节约53220.1.3二氧化碳减排53420.2可调速电动机驱动53620.2.1电能节约53720.2.2电力成本节约53820.2.3二氧化碳减排53920.3紧凑型荧光灯54020.3.1电能节约54320.3.2电力成本节约54320.3.3二氧化碳减排54320.4未来的社会影响54520.5小结545参考文献547第21章 综述55021.1最先进的IGBT产品55021.2宽带隙半导体功率器件55221.2.1最先进的SiC功率MOSFET55321.2.2成本分析55521.3小结556参考文献557