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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

1.1.5 PN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-FS IGBT）38

1.5.8 逆导型IGBT（RC IGBT）38

1.5.9 IGBT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

2.2 IGBT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

2.4.4 IGBT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

2.7 IGBT模块的电路拓扑77

2.8 IGBT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

3.4 IGBT的正向特性101

3.5 IGBT的开关特性103

3.5.1 IGBT的开通特性103

3.5.2 IGBT的关断特性105

3.5.3 栅极电荷和密勒效应106

3.5.4 NPT IGBT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

5.2 IGBT141

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

6.3 IGBT栅极驱动器163

6.4 驱动器电源173

6.4.1 自举电路174

6.4.2 DC-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

6.7.1 UCESat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

7.2 IGBT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

7.8.1 IGBT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

7.9 IGBT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

9.3 IGBT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

11.2 AC-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

11.3 DC-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

11.3.4 H桥电路293

11.4 DC-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

11.4.4 Z源逆变器299

11.5 AC-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

14.4.1 HTRB测试372

14.4.2 HTGS测试372

14.4.3 H3TRB测试372

14.4.4 TST373

14.4.5 TC测试373

14.4.6 PC测试374

14.5 提高负载周次能力的措施376

14.5.1 CTE值匹配377

14.5.2 DCB377

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