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【作者】
Andreas Volke毕业于索斯特应用科技大学电力能源技术专业，毕业后成为硬件软件开发工程师。1997年任职于西门子，职位为全球部署调试工程师。2003年加入英飞凌，负责亚太区工业、汽车和消费类应用的IGBT模块和驱动器的应用工程。2012年成为PowerInIegrations高压应用工程部门的领导，该部门主要负责顾客定制驱动器设计和伞球技术支持。
Michael Hornkamp毕业于索斯特应用科技大学电力能源技术专业，曾作为项目工程师在中国工作。之后加入德国Stromag Elektronik公司，担任伺服驱动器的开发工程师。2000年加入英飞凌，负责管理IGBq、模块和驱动器的应用工程师团队，并随后成为中等功率IGBT模块业务部的技术营销经理。2009年加入CT—Concept公司，即现在的Power Integrations。现任Power Integrations的高压产品部的高级市场总监。
【内容】
本书首先介绍了IGBT的内部结构，然后通过电路原型或基本模型推导出的IGBT变体形式。在此基础上，探讨了IGBT的封装技术。本书还讨论了IGBT电气特性和热问题，分析了IGBT的特殊应用和并联驱动技术。这些分析还包括了IGBT的实际开关行为特性、电路布局、应用实例以及设计规则。
【目录】
译者序
序
前言
第1章功率半导体1
1.1简介1
1.1.1本征载流子浓度2
1.1.2掺杂4
1.1.3载流子在半导体中的运动6
1.1.4载流子的产生与复合8
1.1.5PN结9
1.1.6反向击穿12
1.1.7制造工艺13
1.2二极管16
1.2.1快恢复二极管17
1.2.2电源（整流）二极管19
1.2.3肖特基二极管19
1.2.4齐纳二极管与雪崩二极管20
1.3晶闸管21
1.4双极结型晶体管和场效应晶体管22
1.4.1双极结型晶体管（BJT）22
1.4.2场效应晶体管（FET）24
1.5绝缘栅双极型晶体管（IGBT）28
1.5.1穿通（PT）型IGBT32
1.5.2非穿通（NPT）型IGBT34
1.5.3场终止（FS）型IGBT35
1.5.4沟槽栅（Trench）IGBT35
1.5.5载流子储存沟槽栅双极晶体管（CSTBTTM）37
1.5.6注入增强栅晶体管（IEGT）38
1.5.7沟槽栅场终止IGBT（Trench-FSIGBT）38
1.5.8逆导型IGBT（RCIGBT）38
1.5.9IGBT集成的额外功能39
1.6前景展望41
1.7制造商43
本章参考文献44
第2章IGBT器件结构47
2.1简介47
2.2IGBT模块的材料48
2.2.1塑料框架48
2.2.2衬底50
2.2.3基板51
2.2.4塑模材料、环氧树脂和硅胶52
2.3电气键合工艺53
2.3.1内部电气连接技术54
2.3.2外部电气连接技术60
2.4设计理念69
2.4.1标准IGBT模块69
2.4.2压接式IGBT69
2.4.3智能功率模块（IPM）70
2.4.4IGBT模制模块71
2.4.5分立式IGBT72
2.4.6套件73
2.5半导体的内部并联74
2.6低感设计76
2.7IGBT模块的电路拓扑77
2.8IGBT绝缘配合79
2.8.1电气间隙和爬电距离80
2.8.2绝缘电压82
2.8.3局部放电83
2.9制造商概览84
本章参考文献85
第3章电气特性87
3.1简介87
3.2二极管的正向特性94
3.3二极管的开关特性96
3.3.1二极管的开通96
3.3.2二极管的关断98
3.4IGBT的正向特性101
3.5IGBT的开关特性103
3.5.1IGBT的开通特性103
3.5.2IGBT的关断特性105
3.5.3栅极电荷和密勒效应106
3.5.4NPTIGBT与沟槽栅IGBT关断特性比较分析107
3.6短路特性108
3.7阻断特性111
3.8静态和动态雪崩击穿112
3.9杂散电感113
3.10不同的半导体来源115
本章参考文献116
第4章热原理118
4.1简介118
4.1.1定义118
4.1.2热传导119
4.1.3热辐射123
4.1.4对流125
4.2材料以及导热性能126
4.3热模型131
4.4散热器136
4.4.1空冷散热器137
4.4.2液冷散热器138
本章参考文献140
第5章模块数据手册141
5.1简介141
5.2IGBT141
5.3续流二极管144
5.4整流二极管（PIM/CIB模块）145
5.5制动斩波器（PIM/CIB模块）145
5.6负温度系数热敏电阻（可选）146
5.7模块147
5.8图表148
5.9电路的拓扑结构149
5.10封装图149
本章参考文献150
第6章IGBT驱动151
6.1简介151
6.2信号传输152
6.2.1电平转换152
6.2.2光电耦合器156
6.2.3脉冲变压器157
6.2.4电容耦合器160
6.2.5光纤161
6.2.6总结162
6.3IGBT栅极驱动器163
6.4驱动器电源173
6.4.1自举电路174
6.4.2DC－DC变换器176
6.4.3欠电压闭锁179
6.5耦合电容180
6.6影响开关特性的参数181
6.6.1栅极电阻181
6.6.2栅-射极的外接电容CG183
6.6.3栅极引线电感186
6.7保护措施187
6.7.1UCESat的监控187
6.7.2集-射极钳位195
6.7.3栅极钳位204
6.7.4密勒钳位207
6.7.5利用发射极的寄生电感209
6.7.6两电平关断210
6.7.7软关断212
6.8逻辑功能212
6.8.1最小脉冲抑制213
6.8.2死区生成和半桥互锁213
6.8.3错误消息，阻断时间和故障存储214
6.9安全停止214
6.10并联和串联216
6.10.1并联216
6.10.2串联连接217
6.11三电平NPC电路217
6.12综合性能和成本选择驱动器218
6.13制造商概述219
本章参考文献219
第7章实际应用中的开关特性221
7.1简介221
7.2IGBT的控制电压221
7.2.1正电压控制221
7.2.2负电压控制和0V关断222
7.3最小开通时间225
7.4死区227
7.5开关速度228
7.6短路关断229
7.7杂散电感的影响233
7.7.1换流通路杂散电感233
7.7.2栅极通路杂散电感235
7.8安全工作区236
7.8.1IGBT反偏安全工作区和短路安全工作区236
7.8.2二极管安全工作区237
7.9IGBT反向阻断电压237
7.10集成碳化硅续流二极管的硅IGBT238
7.11降载开关和(准)谐振开关240
7.11.1缓冲电路240
7.11.2谐振开关244
本章参考文献246
第8章IGBT模块的并联和串联247
8.1简介247
8.2并联247
8.2.1静态工作注意事项248
8.2.2动态工作注意事项251
8.2.3栅极驱动并联253
8.2.4外部平衡组件并联连接259
8.3串联262
本章参考文献264
第9章射频振荡265
9.1简介265
9.2短路振荡266
9.3IGBT关断振荡267
9.4拖尾电流振荡268
本章参考文献270
第10章机械安装指导271
10.1简介271
10.2连接技术271
10.2.1电气连接271
10.2.2散热器安装和导热硅脂272
10.2.3直接冷却模块安装276
10.3环境影响277
10.3.1机械负载277
10.3.2气体和液体278
10.4运输与储存279
本章参考文献279
第11章基本电路与应用实例280
11.1简介280
11.2AC－DC整流器和制动斩波器281
11.2.1主动前端287
11.2.2维也纳整流器288
11.3DC－DC变换器289
11.3.1降压型变换器290
11.3.2升压型变换器291
11.3.3升降压型变换器292
11.3.4H桥电路293
11.4DC－AC逆变器294
11.4.1电压源逆变器294
11.4.2多电平逆变器296
11.4.3电流源逆变器299
11.4.4Z源逆变器299
11.5AC－AC变换器303
11.6应用举例305
11.6.1伺服驱动305
11.6.2不间断电源305
11.6.3太阳能逆变器307
11.6.4风能逆变器308
11.6.5牵引逆变器310
11.6.6开关磁阻电动机311
11.6.7中压逆变器312
本章参考文献313
第12章信号测量和仪器315
12.1简介315
12.2数字存储示波器315
12.3电流测量317
12.3.1基于无磁原理的电流测量318
12.3.2基于电磁原理的电流测量325
12.4电压测量330
12.5温度测量332
12.6双脉冲测试337
本章参考文献340
第13章逆变器设计341
13.1简介341
13.2逆变器的组成341
13.3电压等级342
13.4寄生元件343
13.5直流母线344
13.6吸收电容346
13.7驱动单元安装348
13.8电气间隙和爬电距离350
13.9电机电缆长度的影响350
13.10滤波器352
13.10.1电源滤波器352
13.10.2直流母线滤波器353
13.10.3输出滤波器354
13.11熔断器355
13.12调制算法的影响357
13.13基本公式361
13.13.1输入整流361
13.13.2输出逆变362
13.13.3直流母线362
本章参考文献362
第14章质量与可靠性364
14.1简介364
14.2应用中的失效机理365
14.3加速模型367
14.4型式试验和常规试验370
14.4.1HTRB测试372
14.4.2HTGS测试372
14.4.3H3TRB测试372
14.4.4TST373
14.4.5TC测试373
14.4.6PC测试374
14.5提高负载周次能力的措施376
14.5.1CTE值匹配377
14.5.2DCB377
14.5.3低温连接378
14.5.4芯片焊层的扩散焊接379
14.5.5提高系统焊接层工艺379
14.5.6直接键合陶瓷到基板379
14.5.7铜绑定线380
14.6寿命计算382
14.7失效图片385
14.7.1工艺与机械原因所致的失效图像385
14.7.2电和热引起的失效图像386
14.8宇宙粒子射线386
本章参考文献388
附录名词术语缩写390
序
前言
第1章功率半导体1
1.1简介1
1.1.1本征载流子浓度2
1.1.2掺杂4
1.1.3载流子在半导体中的运动6
1.1.4载流子的产生与复合8
1.1.5PN结9
1.1.6反向击穿12
1.1.7制造工艺13
1.2二极管16
1.2.1快恢复二极管17
1.2.2电源（整流）二极管19
1.2.3肖特基二极管19
1.2.4齐纳二极管与雪崩二极管20
1.3晶闸管21
1.4双极结型晶体管和场效应晶体管22
1.4.1双极结型晶体管（BJT）22
1.4.2场效应晶体管（FET）24
1.5绝缘栅双极型晶体管（IGBT）28
1.5.1穿通（PT）型IGBT32
1.5.2非穿通（NPT）型IGBT34
1.5.3场终止（FS）型IGBT35
1.5.4沟槽栅（Trench）IGBT35
1.5.5载流子储存沟槽栅双极晶体管（CSTBTTM）37
1.5.6注入增强栅晶体管（IEGT）38
1.5.7沟槽栅场终止IGBT（Trench-FSIGBT）38
1.5.8逆导型IGBT（RCIGBT）38
1.5.9IGBT集成的额外功能39
1.6前景展望41
1.7制造商43
本章参考文献44
第2章IGBT器件结构47
2.1简介47
2.2IGBT模块的材料48
2.2.1塑料框架48
2.2.2衬底50
2.2.3基板51
2.2.4塑模材料、环氧树脂和硅胶52
2.3电气键合工艺53
2.3.1内部电气连接技术54
2.3.2外部电气连接技术60
2.4设计理念69
2.4.1标准IGBT模块69
2.4.2压接式IGBT69
2.4.3智能功率模块（IPM）70
2.4.4IGBT模制模块71
2.4.5分立式IGBT72
2.4.6套件73
2.5半导体的内部并联74
2.6低感设计76
2.7IGBT模块的电路拓扑77
2.8IGBT绝缘配合79
2.8.1电气间隙和爬电距离80
2.8.2绝缘电压82
2.8.3局部放电83
2.9制造商概览84
本章参考文献85
第3章电气特性87
3.1简介87
3.2二极管的正向特性94
3.3二极管的开关特性96
3.3.1二极管的开通96
3.3.2二极管的关断98
3.4IGBT的正向特性101
3.5IGBT的开关特性103
3.5.1IGBT的开通特性103
3.5.2IGBT的关断特性105
3.5.3栅极电荷和密勒效应106
3.5.4NPTIGBT与沟槽栅IGBT关断特性比较分析107
3.6短路特性108
3.7阻断特性111
3.8静态和动态雪崩击穿112
3.9杂散电感113
3.10不同的半导体来源115
本章参考文献116
第4章热原理118
4.1简介118
4.1.1定义118
4.1.2热传导119
4.1.3热辐射123
4.1.4对流125
4.2材料以及导热性能126
4.3热模型131
4.4散热器136
4.4.1空冷散热器137
4.4.2液冷散热器138
本章参考文献140
第5章模块数据手册141
5.1简介141
5.2IGBT141
5.3续流二极管144
5.4整流二极管（PIM/CIB模块）145
5.5制动斩波器（PIM/CIB模块）145
5.6负温度系数热敏电阻（可选）146
5.7模块147
5.8图表148
5.9电路的拓扑结构149
5.10封装图149
本章参考文献150
第6章IGBT驱动151
6.1简介151
6.2信号传输152
6.2.1电平转换152
6.2.2光电耦合器156
6.2.3脉冲变压器157
6.2.4电容耦合器160
6.2.5光纤161
6.2.6总结162
6.3IGBT栅极驱动器163
6.4驱动器电源173
6.4.1自举电路174
6.4.2DC－DC变换器176
6.4.3欠电压闭锁179
6.5耦合电容180
6.6影响开关特性的参数181
6.6.1栅极电阻181
6.6.2栅-射极的外接电容CG183
6.6.3栅极引线电感186
6.7保护措施187
6.7.1UCESat的监控187
6.7.2集-射极钳位195
6.7.3栅极钳位204
6.7.4密勒钳位207
6.7.5利用发射极的寄生电感209
6.7.6两电平关断210
6.7.7软关断212
6.8逻辑功能212
6.8.1最小脉冲抑制213
6.8.2死区生成和半桥互锁213
6.8.3错误消息，阻断时间和故障存储214
6.9安全停止214
6.10并联和串联216
6.10.1并联216
6.10.2串联连接217
6.11三电平NPC电路217
6.12综合性能和成本选择驱动器218
6.13制造商概述219
本章参考文献219
第7章实际应用中的开关特性221
7.1简介221
7.2IGBT的控制电压221
7.2.1正电压控制221
7.2.2负电压控制和0V关断222
7.3最小开通时间225
7.4死区227
7.5开关速度228
7.6短路关断229
7.7杂散电感的影响233
7.7.1换流通路杂散电感233
7.7.2栅极通路杂散电感235
7.8安全工作区236
7.8.1IGBT反偏安全工作区和短路安全工作区236
7.8.2二极管安全工作区237
7.9IGBT反向阻断电压237
7.10集成碳化硅续流二极管的硅IGBT238
7.11降载开关和(准)谐振开关240
7.11.1缓冲电路240
7.11.2谐振开关244
本章参考文献246
第8章IGBT模块的并联和串联247
8.1简介247
8.2并联247
8.2.1静态工作注意事项248
8.2.2动态工作注意事项251
8.2.3栅极驱动并联253
8.2.4外部平衡组件并联连接259
8.3串联262
本章参考文献264
第9章射频振荡265
9.1简介265
9.2短路振荡266
9.3IGBT关断振荡267
9.4拖尾电流振荡268
本章参考文献270
第10章机械安装指导271
10.1简介271
10.2连接技术271
10.2.1电气连接271
10.2.2散热器安装和导热硅脂272
10.2.3直接冷却模块安装276
10.3环境影响277
10.3.1机械负载277
10.3.2气体和液体278
10.4运输与储存279
本章参考文献279
第11章基本电路与应用实例280
11.1简介280
11.2AC－DC整流器和制动斩波器281
11.2.1主动前端287
11.2.2维也纳整流器288
11.3DC－DC变换器289
11.3.1降压型变换器290
11.3.2升压型变换器291
11.3.3升降压型变换器292
11.3.4H桥电路293
11.4DC－AC逆变器294
11.4.1电压源逆变器294
11.4.2多电平逆变器296
11.4.3电流源逆变器299
11.4.4Z源逆变器299
11.5AC－AC变换器303
11.6应用举例305
11.6.1伺服驱动305
11.6.2不间断电源305
11.6.3太阳能逆变器307
11.6.4风能逆变器308
11.6.5牵引逆变器310
11.6.6开关磁阻电动机311
11.6.7中压逆变器312
本章参考文献313
第12章信号测量和仪器315
12.1简介315
12.2数字存储示波器315
12.3电流测量317
12.3.1基于无磁原理的电流测量318
12.3.2基于电磁原理的电流测量325
12.4电压测量330
12.5温度测量332
12.6双脉冲测试337
本章参考文献340
第13章逆变器设计341
13.1简介341
13.2逆变器的组成341
13.3电压等级342
13.4寄生元件343
13.5直流母线344
13.6吸收电容346
13.7驱动单元安装348
13.8电气间隙和爬电距离350
13.9电机电缆长度的影响350
13.10滤波器352
13.10.1电源滤波器352
13.10.2直流母线滤波器353
13.10.3输出滤波器354
13.11熔断器355
13.12调制算法的影响357
13.13基本公式361
13.13.1输入整流361
13.13.2输出逆变362
13.13.3直流母线362
本章参考文献362
第14章质量与可靠性364
14.1简介364
14.2应用中的失效机理365
14.3加速模型367
14.4型式试验和常规试验370
14.4.1HTRB测试372
14.4.2HTGS测试372
14.4.3H3TRB测试372
14.4.4TST373
14.4.5TC测试373
14.4.6PC测试374
14.5提高负载周次能力的措施376
14.5.1CTE值匹配377
14.5.2DCB377
14.5.3低温连接378
14.5.4芯片焊层的扩散焊接379
14.5.5提高系统焊接层工艺379
14.5.6直接键合陶瓷到基板379
14.5.7铜绑定线380
14.6寿命计算382
14.7失效图片385
14.7.1工艺与机械原因所致的失效图像385
14.7.2电和热引起的失效图像386
14.8宇宙粒子射线386
本章参考文献388
附录名词术语缩写390
