IGBT器件 物理、設(shè)計與應(yīng)用
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《IGBT器件:物理、設(shè)計與應(yīng)用》從IGBT發(fā)明開始，介紹了IGBT的模型和基本工作原理、各種元胞結(jié)構(gòu)、設(shè)計與制造工藝、封裝與驅(qū)動、安全工作區(qū)等，并給出了在多達(dá)十幾個行業(yè)中的具體應(yīng)用，包括應(yīng)用電路和參數(shù)指標(biāo)等。本書內(nèi)容深入淺出，適合電力電子、微電子、功率器件、功率IC設(shè)計與制造領(lǐng)域的研究人員、技術(shù)人員閱讀，也可作為高等院校相關(guān)專業(yè)本科生和研究生的參考書。
作者簡介
B.Jayant Baliga博士，北卡羅來納州立大學(xué)“杰出大學(xué)教授”，美國國家工程院院士，IEEE會士。
Baliga教授是國際公認(rèn)的功率半導(dǎo)體器件領(lǐng)域的專家，發(fā)表了500多篇學(xué)術(shù)文章，擁有120項美國專利。
他在IGBT概念、發(fā)展和商業(yè)化方面的工作得到了美國奧巴馬總統(tǒng)的認(rèn)可，獲得了2011年美國國家技術(shù)創(chuàng)新獎?wù)隆@是美國政府授予工程師的高榮譽(yù)，以及2014年IEEE榮譽(yù)勛章——電氣工程領(lǐng)域的高榮譽(yù)。
精彩書評
除了發(fā)明者B.Jayant Baliga教授，你還想要誰來寫作這樣一本關(guān)于IGBT的著作？這項發(fā)明在全球范圍內(nèi)被廣泛應(yīng)用。
——Power Electronics
在過去的30年間, 借助6000V的器件，我們已經(jīng)看到了IGBT技術(shù)的不斷跨越，甚至已經(jīng)進(jìn)入到高壓直流應(yīng)用領(lǐng)域。在1970年，人們只是想一想一個自關(guān)斷器件可以攻入晶閘管技術(shù)的最后堡壘（即高壓直流功率轉(zhuǎn)換）就會大搖其頭。我們都大大受益于Baliga教授和他那個時代在固態(tài)器件技術(shù)領(lǐng)域的工作。在這本書中，我們將向大師學(xué)習(xí)。
——Thomas A.Lipo 美國威斯康辛大學(xué)麥迪遜分校
目錄
譯者序
原書序
原書前言
作者簡介
第1章 緒論
1.1 IGBT應(yīng)用范圍
1.2 基本的IGBT器件結(jié)構(gòu)
1.3 IGBT發(fā)展和商業(yè)化歷史
1.4 功率等級的擴(kuò)展
第2章 IGBT的結(jié)構(gòu)和工作模式
2.1 對稱的D-MOS結(jié)構(gòu)
2.2 非對稱的D-MOS結(jié)構(gòu)
2.3 溝槽柵IGBT結(jié)構(gòu)
2.4 透明集電極IGBT結(jié)構(gòu)
2.5 新穎的IGBT結(jié)構(gòu)
2.6 橫向IGBT結(jié)構(gòu)
2.7 互補(bǔ)的IGBT結(jié)構(gòu)
第3章 IGBT結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.1 閾值電壓
3.2 對稱結(jié)構(gòu)IGBT
3.2.1 阻斷電壓
3.2.2 開態(tài)特性
3.2.3 積累電荷
3.2.4 關(guān)斷波形
3.2.5 關(guān)斷損耗
3.2.6 能量損耗折中曲線
3.3 非對稱結(jié)構(gòu)IGBT
3.3.1 阻斷電壓
3.3.2 開態(tài)特性
3.3.3 積累電荷
3.3.4 關(guān)斷波形
3.3.5 關(guān)斷損耗
3.3.6 能量損耗折中曲線
3.4 透明集電極IGBT
3.4.1 阻斷電壓
3.4.2 開態(tài)特性
3.4.3 積累電荷
3.4.4 關(guān)斷波形
3.4.5 關(guān)斷損耗
3.4.6 能量損耗折中曲線
3.5 SiC IGBT
3.5.1 N型非對稱SiC IGBT
3.5.2 阻斷電壓
3.5.3 導(dǎo)通電壓降
3.5.4 關(guān)斷特性
3.5.5 關(guān)斷損耗
3.6 優(yōu)化非對稱結(jié)構(gòu)SiC IGBT結(jié)構(gòu)
3.6.1 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計
3.6.2 導(dǎo)通電壓降
3.6.3 關(guān)斷特性
3.6.4 能量損耗折中曲線
3.6.5 最大工作頻率
第4章 安全工作區(qū)設(shè)計
4.1 寄生晶閘管
4.2 抑制寄生晶閘管
4.2.1 深P+擴(kuò)散
4.2.2 減小柵氧化層厚度
4.2.3 空穴電流分流結(jié)構(gòu)
4.2.4 器件元胞拓?fù)?/p>
4.2.5 抑制閂鎖器件結(jié)構(gòu)
4.3 安全工作區(qū)
4.3.1 正偏SOA
4.3.2 反偏SOA
4.3.3 短路SOA
4.4 新型硅器件結(jié)構(gòu)
4.5 碳化硅器件
第5章 芯片設(shè)計?保護(hù)和制造
5.1 有源區(qū)
5.2 柵極壓焊塊設(shè)計
5.3 邊界終端設(shè)計
5.4 集成傳感器
5.4.1 過電流保護(hù)
5.4.2 過電壓保護(hù)
5.4.3 過溫保護(hù)
5.5 平面柵器件制造工藝
5.6 溝槽柵器件制造工藝
5.7 壽命控制
第6章 封裝和模塊設(shè)計
6.1 分立器件的封裝
6.2 改進(jìn)的分立器件封裝
6.3 基本的功率模塊
6.4 扁平封裝的功率模塊
6.5 無金屬基板的功率模塊
6.6 智能功率模塊
6.6.1 雙列直插型封裝
6.6.2 智能功率單元
6.7 可靠性
第7章 門驅(qū)動電路設(shè)計
7.1 基本的門驅(qū)動
7.2 非對稱的門驅(qū)動
7.3 兩級門驅(qū)動
7.4 有源柵電壓控制
7.5 可變的柵電阻驅(qū)動
7.6 數(shù)字的門驅(qū)動
第8章 IGBT模型
8.1 基于物理機(jī)制的電路模型
8.1.1 SABER NPT-IGBT電路模型
8.1.2 SABER PT-IGBT電路模型
8.1.3 SABER IGBT電熱模型
8.1.4 SABER IGBT1模型
8.2 IGBT模擬行為模型
8.3 模型參數(shù)提取
第9章 IGBT應(yīng)用：運輸
9.1 汽油驅(qū)動的汽車
9.1.1 凱特林機(jī)械點火系統(tǒng)
9.1.2 電子點火系統(tǒng)
9.1.3 點火IGBT設(shè)計
9.1.4 雙電壓鉗位的點火IGBT設(shè)計
9.1.5 智能點火IGBT設(shè)計
9.1.6 點火IGBT產(chǎn)品
9.2 電動和混合動力電動汽車
9.2.1 電動汽車逆變器設(shè)計
9.2.2 電動汽車IGBT芯片設(shè)計
9.2.3 電動汽車再生制動
9.3 電動汽車充電站
9.3.1 電動汽車充電要求
9.3.2 電動汽車充電電路
9.4 電動公共汽車
9.4.1 電動公共汽車控制電路
9.4.2 電動公共汽車充電
9.5 有軌電車和無軌電車
9.6 地鐵和機(jī)場火車
9.7 電力機(jī)車
9.7.1 直流電源總線
9.7.2 交流電源總線
9.7.3 多系統(tǒng)電力機(jī)車
9.8 柴油電力機(jī)車
9.9 高速電氣火車
9.9.1 電動機(jī)驅(qū)動拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
9.9.2 IGBT模塊設(shè)計
9.10 船舶推進(jìn)裝置
9.10.1 滾裝貨輪
9.10.2 游輪
9.10.3 液化天然氣運輸船
9.10.4 船舶電路斷路器
9.11 全電飛機(jī)
9.11.1 DC-DC轉(zhuǎn)換器
9.11.2 DC-AC逆變器
9.11.3 機(jī)電飛機(jī)舵機(jī)執(zhí)行器
9.11.4 無刷直流電動機(jī)驅(qū)動
9.11.5 IGBT模塊
9.11.6 IGBT的宇宙射線失效
第10章 IGBT應(yīng)用：工業(yè)
10.1 工業(yè)電動機(jī)驅(qū)動
10.2 用于電動機(jī)控制的可調(diào)速驅(qū)動
10.3 脈寬調(diào)制的可調(diào)速驅(qū)動
10.3.1 脈寬調(diào)制波形
10.3.2 功率損耗折中曲線
10.3.3 功率損耗分析
10.4 工廠自動化
10.4.1 互補(bǔ)的IGBT
10.4.2 P溝道IGBT設(shè)計
10.5 機(jī)器人
10.5.1 無電纜線的功率供給
10.5.2 工業(yè)機(jī)器人控制器
10.5.3 線性執(zhí)行器
10.5.4 可移動的門式起重機(jī)機(jī)器人
10.6 焊接
10.6.1 巴克降壓轉(zhuǎn)換器
10.6.2 變壓器耦合供電
10.6.3 雙重效用電源
10.6.4 機(jī)器人弧焊
10.6.5 消耗性電極焊接
10.6.6 焊接用IGBT的優(yōu)化
10.7 感應(yīng)加熱
10.7.1 鍛造?退火和管狀焊接
10.7.2 流體加熱
10.7.3 金屬熔化爐
10.7.4 用于感應(yīng)加熱的IGBT設(shè)計
10.8 銑削和鉆孔機(jī)
10.8.1 高速銑削機(jī)
10.8.2 高速鉆孔機(jī)
10.8.3 高速電火花加工
10.9 軋鋼廠和造紙廠
10.9.1 金屬行業(yè)
10.9.2 紙漿和造紙工業(yè)
10.10 靜電除塵器
10.11 紡織廠
10.12 開采和挖掘
10.13 工業(yè)用IGBT的優(yōu)化
第11章 IGBT應(yīng)用：照明
11.1 三位一體白熾燈
11.2 緊湊型熒光燈
11.2.1 緊湊型熒光燈發(fā)光原理
11.2.2 半橋鎮(zhèn)流器拓?fù)?/p>
11.2.3 功率晶體管的比較
11.2.4 自激鎮(zhèn)流器拓?fù)?/p>
11.2.5 功率因數(shù)校正
11.2.6 用于緊湊型熒光燈中的分立IGBT設(shè)計
11.2.7 用于緊湊型熒光燈中的集成IGBT設(shè)計
11.3 發(fā)光二極管
11.3.1 LED驅(qū)動器
11.4 閃光燈
11.4.1 閃光電路
11.4.2 用于閃光燈的IGBT設(shè)計
11.4.3 專業(yè)閃光燈
11.5 氙短弧燈
11.5.1 汽車車頭燈
11.5.2 電影院放映機(jī)
11.6 頻閃成像
11.7 可調(diào)光源
11.8 快速熱退火
第12章 IGBT應(yīng)用：消費類電子
12.1 大型家用電器
12.1.1 空調(diào)（熱泵）
12.1.2 電冰箱
12.1.3 洗衣機(jī)
12.1.4 微波爐
12.1.5 電磁爐
12.1.6 洗碗機(jī)
12.2 小型家用電器
12.2.1 便攜式電磁爐和電飯煲
12.2.2 食物處理器（攪碎機(jī)，榨汁機(jī)，混合器）
12.2.3 真空吸塵器
12.3 電視機(jī)
12.3.1 帶有陰極射線管的電視機(jī)
12.3.2 等離子電視機(jī)
12.3.3 預(yù)調(diào)節(jié)器電路
12.4 應(yīng)用于消費類電子的IGBT優(yōu)化
12.4.1 應(yīng)用于電動機(jī)驅(qū)動的IGBT優(yōu)化
12.4.2 應(yīng)用于電磁爐的IGBT優(yōu)化
12.4.3 應(yīng)用于電視機(jī)的IGBT優(yōu)化
12.4.4 應(yīng)用于功率因數(shù)校正的IGBT優(yōu)化
第13章 IGBT應(yīng)用：醫(yī)療
13.1 X射線機(jī)
13.1.1 串并聯(lián)諧振電源
13.1.2 雙模電源
13.2 計算機(jī)斷層掃描
13.2.1 脈寬調(diào)制諧振轉(zhuǎn)換器電源
13.2.2 旋轉(zhuǎn)機(jī)架中的諧振逆變器電源
13.2.3 固定機(jī)架中的諧振逆變器電源
13.3 磁共振成像
13.3.1 雙并行四象限直流斬波功率放大器
13.3.2 四并行全橋功率放大器
13.3.3 堆疊式三橋功率放大器
13.3.4 多輸出相移功率放大器
13.3.5 級聯(lián)電壓補(bǔ)償電源
13.3.6 超級電容儲能式電源
13.4 醫(yī)學(xué)超聲波檢查
13.4.1 超聲波檢查原理
13.4.2 脈沖電源
13.5 除顫器
13.5.1 自動體外除顫器
13.5.2 自動體外除顫器中的能量產(chǎn)生和脈沖形成
13.5.3 植入式心律轉(zhuǎn)復(fù)除顫器
13.5.4 用于外科手術(shù)的心律轉(zhuǎn)復(fù)除顫器
13.6 醫(yī)療同步加速器
13.6.1 CNAO勵磁線圈電源
13.6.2 群馬勵磁線圈電源
13.7 醫(yī)療激光
13.7.1 脈沖壓縮網(wǎng)絡(luò)電源
13.7.2 電容放電式電源
13.7.3 串并聯(lián)變壓器式電源
13.8 應(yīng)用于醫(yī)療的IGBT設(shè)計
第14章 IGBT應(yīng)用：國防
14.1 電力電子構(gòu)建模塊
14.1.1 PEBB-1?PEBB-2和PEBB-3
14.1.2 海上變頻器
14.1.3 并聯(lián)型有源電力濾波器
14.2 電動軍艦
14.2.1 推進(jìn)驅(qū)動選擇
14.2.2 海軍艦船的動力分布
14.2.3 固態(tài)傳輸開關(guān)
14.2.4 固態(tài)斷路器
14.3 航空母艦
14.3.1 軌道炮炮彈發(fā)射器
14.3.2 飛機(jī)發(fā)射器
14.4 核動力與柴電潛艇
14.4.1 安靜的電驅(qū)動
14.4.2 IGBT能量循環(huán)
14.5 軍車
14.5.1 雙向直流-直流轉(zhuǎn)換器
14.6 空軍噴氣式飛機(jī)
14.6.1 電力分布架構(gòu)
14.6.2 便攜式軌道炮
14.7 導(dǎo)彈防御
14.7.1 雷達(dá)發(fā)射機(jī)
14.7.2 速調(diào)管雷達(dá)電源
14.7.3 多普勒雷達(dá)脈沖電源
14.7.4 靈活的鏡面雷達(dá)
14.7.5 用于戰(zhàn)區(qū)導(dǎo)彈防御的地面雷達(dá)
14.8 用于國防的IGBT
14.8.1 脈沖功率容量
14.8.2 可靠性
第15章 IGBT應(yīng)用：可再生能源
15.1 水力發(fā)電
15.1.1 大型電站
15.1.2 小型電站
15.1.3 分離電壓和頻率控制器
15.1.4 輔助發(fā)電單元
15.2 光伏能源
15.2.1 光伏逆變器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
15.2.2 基于高效高可靠性逆變器概念的光伏逆變器
15.2.3 三相光伏逆變器
15.2.4 非隔離交互式光伏逆變器
15.2.5 非隔離降壓-升壓光伏逆變器
15.2.6 光伏逆變器最大功率點跟蹤電路
15.2.7 電流源光伏逆變器
15.2.8 三相電流源光伏逆變器
15.2.9 商業(yè)光伏轉(zhuǎn)換器
15.2.10 光伏能量存儲
15.2.11 應(yīng)用于光伏的IGBT
15.3 風(fēng)能
15.3.1 風(fēng)力發(fā)電機(jī)的配置
15.3.2 基本轉(zhuǎn)換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
15.3.3 海上風(fēng)電安裝
15.3.4 中國沿海風(fēng)電安裝
15.3.5 歐洲沿海風(fēng)電安裝
15.3.6 單機(jī)風(fēng)電安裝
15.3.7 應(yīng)用于風(fēng)電的IGBT
15.4 波浪能
15.4.1 魚鷹波能
15.4.2 波龍能源
15.4.3 螺紋浮標(biāo)能
15.5 潮汐能
15.6 地?zé)崮?/p>
15.6.1 發(fā)電體系結(jié)構(gòu)
第16章 IGBT應(yīng)用：電力傳輸
16.1 高壓直流傳輸
16.2 高壓直流組件
16.3 高壓直流趨勢
16.3.1 格拉茨橋
16.3.2 基于電流源轉(zhuǎn)換器的高壓直流拓?fù)?/p>
16.3.3 靜態(tài)同步補(bǔ)償器
16.4 交流電力傳輸
16.4.1 靈活的交流輸電系統(tǒng)
16.4.2 靜態(tài)無功補(bǔ)償器
16.4.3 靜態(tài)同步補(bǔ)償器
16.4.4 輕型靜態(tài)無功補(bǔ)償器
16.4.5 在中國應(yīng)用的靜態(tài)無功補(bǔ)償器和靜態(tài)同步補(bǔ)償器
16.4.6 城市的靜態(tài)同步補(bǔ)償器設(shè)計
16.5 高壓直流背靠背轉(zhuǎn)換器
16.6 離岸電力傳輸
16.6.1 石油鉆井平臺的電力傳輸
16.6.2 風(fēng)電場輸電
16.7 優(yōu)質(zhì)電力園區(qū)
16.8 應(yīng)用于電力傳輸?shù)腎GBT設(shè)計
第17章 IGBT應(yīng)用:金融
17.1 電源設(shè)備
17.2 電源可靠性和質(zhì)量
17.3 動態(tài)電壓恢復(fù)器
17.4 不間斷電源
17.4.1 富士電機(jī)公司的200kV?A不間斷電源
17.4.2 藤倉公司的10kV?A不間斷電源
17.4.3 東芝公司的500kV?A不間斷電源
17.4.4 湯淺公司的3kV?A不間斷電源
17.4.5 大金公司的不間斷電源
17.4.6 單級不間斷電源拓?fù)?/p>
17.4.7 無變壓器的300kV?A不間斷電源
17.5 優(yōu)質(zhì)的電力園區(qū)
17.6 應(yīng)用于不間斷電源的IGBT設(shè)計
第18章 IGBT應(yīng)用：其他
18.1 智能家居
18.1.1 智能插座和智能開關(guān)
18.1.2 智能功率模塊
18.2 打印和復(fù)印機(jī)
18.3 感應(yīng)電力傳輸
18.3.1 舞臺照明
18.3.2 嵌入式電動車充電器
18.4 機(jī)場安全X射線掃描儀
18.5 脈沖電源
18.5.1 馬克思高壓脈沖發(fā)生器
18.5.2 離子注入
18.6 粒子物理
18.6.1 斯坦福直線加速器
18.6.2 國際直線對撞機(jī)
18.6.3 費米實驗室主注入機(jī)
18.6.4 日本強(qiáng)子設(shè)施
18.6.5 歐洲核子研究中心的大型強(qiáng)子對撞機(jī)
18.7 脈沖激光器
18.8 食品殺菌
18.9 水處理
18.9.1 殺菌
18.9.2 海水淡化
18.9.3 污水處理
18.9.4 水管的污染
18.10 石油開采
18.10.1 油管加熱
18.10.2 海下石油開采
18.10.3 阿薩巴斯卡油砂
18.11 石油化工裝置
18.12 天然氣液化
18.13 超導(dǎo)磁存儲
18.14 核聚變能量
18.15 備用發(fā)電機(jī)
18.16 過山車
18.17 美國國家航空航天局
18.17.1 航天飛機(jī)主發(fā)動機(jī)推力控制
18.17.2 航天飛機(jī)軌道機(jī)動系統(tǒng)
18.17.3 國際航天飛機(jī)配電
18.17.4 航天飛機(jī)動力分布
18.17.5 載人星際任務(wù)
18.17.6 低溫電力電子
18.17.7 IGBT故障分析
第19章 IGBT社會影響
19.1 電子點火系統(tǒng)
19.1.1 燃油節(jié)省
19.1.2 消費者成本節(jié)省
19.1.3 二氧化碳減排
19.2 可調(diào)速電動機(jī)驅(qū)動
19.2.1 電能節(jié)省
19.2.2 電力成本節(jié)省
19.2.3 二氧化碳減排
19.3 緊湊型熒光燈
19.3.1 電能節(jié)省
19.3.2 電費節(jié)省
19.3.3 二氧化碳減排
第20章 總述
20.1 最先進(jìn)的IGBT產(chǎn)品
20.2 寬禁帶半導(dǎo)體器件
20.2.1 成本分析
附錄 英文縮略語表
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前言/序言
原書前言
1977年，當(dāng)我在為通用電氣（GE）公司工作時，提交過一份專利申請，披露一個包含基本IGBT結(jié)構(gòu)的垂直MOS柵控晶閘管。為了做出這一結(jié)構(gòu)，開發(fā)了一個V-grove工藝，并在1978年11月到1979年7月之間完成了器件的制造。除了閂鎖式的晶閘管工作模式之外，我的測試清楚地顯示了IGBT的工作模式。針對通用電氣公司需要有應(yīng)用于熱泵的可調(diào)速開關(guān)，我在1980年9月準(zhǔn)備了一個專利披露，描述了我們現(xiàn)在認(rèn)為是理所當(dāng)然的IGBT的所有特征。很快就顯而易見的是，這個新器件對公司小電器、大電器、醫(yī)療、工業(yè)自動化和照明事業(yè)部的所有產(chǎn)品都有廣泛的影響。由于這一影響橫跨了整個公司，我的提案引起了主席Jack Welch的注意，他支持了它的商業(yè)化。我很幸運能在一年之內(nèi)，完成了包括對寄生晶閘管閂鎖抑制的芯片與工藝設(shè)計，用現(xiàn)有的功率MOSFET產(chǎn)品生產(chǎn)線制造出了一個600V?10A的IGBT器件。我同時開發(fā)了一個用輻照控制電子壽命的工藝，外帶一個獨特的退火步驟來恢復(fù)電子輻照帶給柵氧化層的損傷。這使得IGBT產(chǎn)品在開關(guān)頻率和應(yīng)用方面得到了廣泛的優(yōu)化。這些IGBT的獲得鞭策著通用電氣公司的電力電子設(shè)計師們將它們快速大量地應(yīng)用到各類產(chǎn)品之中。通用電氣公司最終宣布可在1983年獲得這些IGBT商品。1985年后，這一器件的生產(chǎn)也導(dǎo)致了其他公司的產(chǎn)品問世，促進(jìn)了世界范圍內(nèi)的利益增長。
