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IGBT器件 物理、设计与应用 
定 价：159 元 丛书名：电子科学与工程系列图书
9 7 5 8 9 7 0 1 3 1 7 1 8 
《IGBT器件——物理、设计与应用》从IGBT发明开始，介绍了IGBT的模型和基本工作原理、各种元胞结构、设计与制造工艺、封装与驱动、安全工作区等，并给出了在多达十几个行业中的具体应用，包括应用电路和参数指标等。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本科生和研究生的参考书。
IGBT器件已被证明是一种非常重要的功率半导体器件，广泛应用于调速电机驱动器（用于空调、制冷和铁路机车）、以汽油为主要燃料的汽车电子点火系统和节能紧凑型荧光灯泡。近期的应用包括等离子显示器（平板电视）和电力传输系统、替代能源系统和储能。《IGBT器件——物理、设计与应用》是首本涵盖IGBT应用的著作，它提供了应用工程师在消费、工业、照明、交通、医疗和可再生能源等领域使用该器件设计新产品所必需的信息。
本书作者B.Jayant Baliga教授于1980年在通用电气公司工作期间发明了IGBT。本书将为新一代的工程应用开启IGBT之门，是广大电气工程师和设计工程师的必备读物，也是半导体专家的重要读物。 《IGBT器件——物理、设计与应用》主要特色如下： 1）提供了应用工程师在消费、工业、交通、照明、医疗和可再生能源等领域使用IGBT时所需的必要的设计信息； 2）介绍了IGBT芯片的设计方法，包括边缘终端、单元拓扑、栅极布局和集成电流传感器； 3）涵盖了IGBT这样一种由全世界十几家公司制造的、销售额超过50亿美元的器件应用的首本图书；由该器件的发明者编写。 《IGBT器件——物理、设计与应用》不仅提供了关于IGBT工作原理和设计的全面描述，而且提供了它横跨各个经济领域的实际应用，并量化其社会影响。所有功率半导体和电力电子工程师们应该会对这本书感兴趣。此外，那些关注技术对社会影响的社会科学家们也会对它感兴趣。
原书前言
1977年，当我在为通用电气（GE）公司工作时，提交过一份专利申请，披露一个包含基本IGBT结构的垂直MOS栅控晶闸管。为了做出这一结构，开发了一个V-grove工艺，并在1978年11月到1979年7月之间完成了器件的制造。除了闩锁式的晶闸管工作模式之外，我的测试清楚地显示了IGBT的工作模式。针对通用电气公司需要有应用于热泵的可调速开关，我在1980年9月准备了一个专利披露，描述了我们现在认为是理所当然的IGBT的所有特征。很快就显而易见的是，这个新器件对公司小电器、大电器、医疗、工业自动化和照明事业部的所有产品都有广泛的影响。由于这一影响横跨了整个公司，我的提案引起了主席Jack Welch的注意，他支持了它的商业化。我很幸运能在一年之内，完成了包括对寄生晶闸管闩锁抑制的芯片与工艺设计，用现有的功率MOSFET产品生产线制造出了一个600V､10A的IGBT器件。我同时开发了一个用辐照控制电子寿命的工艺，外带一个独特的退火步骤来恢复电子辐照带给栅氧化层的损伤。这使得IGBT产品在开关频率和应用方面得到了广泛的优化。这些IGBT的获得鞭策着通用电气公司的电力电子设计师们将它们快速大量地应用到各类产品之中。通用电气公司最终宣布可在1983年获得这些IGBT商品。1985年后，这一器件的生产也导致了其他公司的产品问世，促进了世界范围内的利益增长。 几年前，北卡罗来纳州立大学电气和计算机工程学院的新任院长，建议我准备一个关于我的IGBT工作影响力的报告，发布在我们的网站上。我努力的产出是一个140页的文档，与300多篇参考文献，题为：“IGBT纲要：应用与社会影响”。通用电气公司在我关于器件的发明之后立即就认可了IGBT对公司大部分产品部门的影响。我亲自参与了IGBT的设计，这些设计适用于通用电气公司空调（热泵） 的可调速驱动器、适用于通用电气创造更高效照明产品的早期努力，以及各种小型、大型电器的控制。然而，在一个30年的时间跨度之后准备这样一份报告是一个发现之旅。很明显，IGBT已经渗透到了经济的各个领域，给全球数十亿人口带来了舒适、方便和健康的生活。 提高电源管理和产出的效率是电力电子学的本质，大家都认识到功率半导体器件在这一成果的实现上扮演着主要的角色。然而，节能效率提高的影响还没有能够用一个严格的方法来量化。没有这个度量，评估这一技术对环境的影响是不可能的。因为世界上电力的2/3被用于让电动机旋转，我决定量化来自基于IGBT调速电动机驱动的能量节约。此外，由于世界上1/5的电力用于照明，我决定量化紧凑型荧光灯（CFL）的影响，因为其电子镇流器使用了IGBT。第三个从IGBT受益的经济部门是运输部门。很明显，在20世纪80年代末有了IGBT器件后，电子打火系统得以出现，对内燃机的火花塞进行控制使得汽车和卡车的燃油效率得到提高。随着世界各地大量的汽油消耗，量化这一创新的影响变得很重要。只是IGBT的这三个应用，我认为社会节约了50000MW•h以上的电能消耗（相当于少建600座火力发电厂）和超过1万亿US gal的汽油消费。这不仅在从1990年到2010年间为全世界消费者节省了超过15万亿美元，而且减少了二氧化碳排放量超过75万亿lb。 2012年，我被同事鼓励以上面的报告为基础写一本IGBT的书｡我的反应是创造出一本易于理解的IGBT书的提议，《IGBT器件——物理、设计与应用》这本书首次包括器件工作原理、器件芯片设计、器件制造工艺、器件封装和栅极驱动电路，然后提供了一个关于它在所有经济部门应用的广泛讨论，细化在每个案例中使用的电路拓扑和功率半导体工业界为每一种应用开发的优化过的IGBT器件结构。我很高兴爱思唯尔（Elsevier）公司的编辑发现我的建议引人注目，评审人员对我IGBT书提案的反馈也非常积极，建议我再包括一个讨论，即IGBT是如何被我在20世纪80年代初期发明、开发和成功商业化的。 《IGBT器件——物理、设计与应用》是我两年努力的结果，给读者创建一个关于IGBT工作原理、设计以及社会影响的单一来源。第1章提供了一个IGBT应用和其功率等级的高层次视角，它包括一个器件概念及其商业化背后的历史。第2章描述了各种经过多年进化的IGBT结构。我1981年在通用电气开发的第一个IGBT是600V的对称阻断型器件，随后是600V非对称阻断型器件。在接下来的20年，功率半导体制造商们的注意力集中在电动机驱动应用中的非对称结构。最近由于在电流源逆变器和矩阵转换器上的使用又产生了对对称阻断型IGBT的兴趣。第一个IGBT利用了平面栅结构，后来通过使用沟槽栅器件在通态电压降和开关损耗之间获得了折中曲线的重大改善。透明集电极IGBT结构在缩放IGBT的电压等级从而允许IGBT应用于牵引驱动中起到了重要的作用。 第3章提供了一个IGBT结构的原理描述以允许其使用分析模型来进行设计。对称、非对称和透明集电极结构用阻塞特性、通态电压降和功率损耗折中曲线这些术语进行系统性的分析。虽然还没有商业化的器件可用，但为了完整性，还是把碳化硅IGBT也包含在其中。 从应用角度来看，IGBT优异的坚固性与宽广的安全工作区已成为它的基本特征之一。 第4章为设计IGBT的安全工作区提供了分析模型，它包括负责防止内部寄生晶闸管闩锁的器件元胞创新。当我最初提出IGBT时，这被认为是令人印象深刻之处。 第5章实际描述了IGBT芯片和其边缘终端的有源区布局。这里还描述了过电流、过电压和过温保护技术。调整IGBT开关速度而又不伤害其栅氧化层的载流子寿命的控制工艺也在这里给出了描述。 第6章描述了分立IGBT和打包成模块的IGBT的封装技术。功率模块的设计范围从低功率到高功率水平。在第7章中,提供了各种门驱动电路控制回馈二极管的反向恢复和IGBT本身的开关损耗。第8章则提供了用于在功率电路中对IGBT进行仿真的模型。 在接下来的第9～18章，对IGBT在各个经济领域的应用进行了综述。这些章节展示了这非凡的创新对社会影响的宽度。在每一章中都给出了电路拓扑，如硬开关与谐振开关的对比，确保IGBT在这些电路中高效工作的说明等。同时也给出了器件制造商为减少各种情况下的功率损耗而对IGBT结构所做的优化。 在第9章中讨论的交通行业，就个体消费者而言，在燃油汽车中使用内燃机、在电动汽车或者混合动力汽车中驱动电动机，IGBT都是必不可少的。对公交系统而言，从电动公交车和电车到世界各地的高铁网络，IGBT也是必不可少的。随着IGBT功率级别的增长，它甚至渗透到大型船舶的推进系统中，并使得全电动飞机成为可能。 第10章讨论的工业领域包括可调速的电动机控制驱动、工厂自动化系统、机器人、焊接、感应加热、铣削和钻孔、造纸、纺织、金属加工厂和采矿。 第11章讨论了照明部门，提供各种广泛应用于这个高容量领域的应用电路。此外，也描述了IGBT在照相机的闪光灯、汽车的氙弧灯和电影放映机中的应用。 第12章讲解了IGBT在消费类电子领域的多种应用。在大量的应用中，最普遍的是我们家庭中的空调器、电冰箱、洗衣机、微波炉、电磁炉和洗碗机。在为准备食物的厨房提供便利的台式小家电中，是便携式电磁炉、电饭煲、搅拌机、混合器和榨汁机。此外，在老一代阴极射线管电视机和现代等离子电视机中，IGBT也是一个重要组件。 社会极大地受益于应用在医疗部门的IGBT，提高医疗诊断水平和在心脏骤停事件中拯救生命。它们被用在X光机、CT扫描仪、核磁共振成像扫描仪和超声波机器的电源中，产生高质量的医疗诊断图像和治疗身体创伤。如果没有IGBT，外部（便携式） 自动除颤器不可能被做成成本低、重量轻、只有笔记本电脑大小的装置。这个器件的诞生，在美国每年拯救超过10万人的生命，在世界各地则更多。 第14章描述了美国防御部门起初很不情愿采用IGBT，现在IGBT在所有军事力量部署的装备中都起到了基础的作用。海军将它们用在军舰、航空母舰和核潜艇的配电系统中；陆军正在开发其逆变器依赖IGBT的电动汽车；空军利用可靠性高、重量轻的IGBT电气执行机构取代液压系统。 为缓解大气中碳的增加引起的全球变暖，以化石燃料（碳和天然气）为动力的发电厂需要增加太阳能和风能发电能力的部署。所有这些可再生能源都在逆变器中使用IGBT以向交流输电网提供合规的能量。第15章介绍的电力电子技术不仅仅只用于这些可再生能源，同样也用于水力发电、波浪发电、潮汐发电和地热能。 第16章描述了IGBT对电力传输部门的渗透。这发生在最近IGBT模块的功率等级被半导体供应商增强到可以处理兆瓦级电力的水平之后。目前已经为交流输电网络部署了基于IGBT的静态无功补偿器和静态同步补偿器。 如第17章中所讨论的那样，IGBT甚至使得经济领域的金融部门受益。随着银行、信用卡和投资部门之间基于计算机的高速交易的出现，任何电力中断都会导致每小时数以百万美元的损失。对数据中心的保护，基于IGBT的不间断电源已成为必不可少的设备，它不仅对电力中断问题进行保护，而且对欠电压、过电压和其他电能质量问题进行保护。 第18章写了IGBT所有已掌握的、不适合在前面经济领域讨论的众多其他应用。这些应用包括：①智能家居；②打印机和复印机；③机场安检机；④粒子加速器，包括欧洲核子研究中心用于希格斯玻色子发现的大型强子对撞机；⑤食物和水消毒；⑥海水淡化；⑦过山车；⑧美国宇航局的航天飞机与国际空间站。 IGBT的社会影响在第19章叙述。在这里给出了三个研究案例：调速电动机驱动、CFL灯镇流器和电子点火系统。这三个应用通过IGBT极大地提升了效率，在1990年到2010年之间减少电力消耗50000MW•h、减少汽油消费超过1万亿US gal。这也给消费者节省了超过15万亿美元、减少超过75万亿lb的二氧化碳排放量。 我的目的是写作一本关于IGBT的书，不仅提供关于工作原理和设计的全面描述，而且提供它横跨各个经济领域的应用宽度，并量化其社会影响。所有功率半导体和电力电子工程师们应该会对这本书感兴趣。此外，那些关注技术对社会影响的社会科学家们也会对它感兴趣。 B.Jayant Baliga 2014年12月
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500多篇学术文章，拥有120项美国专利。他在IGBT概念、发展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年美国国家技术创新奖章——这是美国政府授予工程师的高荣誉，以及2014年IEEE荣誉勋章——电气工程领域的高荣誉。
译者序
原书序 原书前言 作者简介 第1章 绪论1 1.1 IGBT应用范围2 1.2 基本的IGBT器件结构2 1.3 IGBT发展和商业化历史3 1.4 功率等级的扩展8 1.5 总结10 参考文献11 第2章 IGBT的结构和工作模式13 2.1 对称的D-MOS结构13 2.2 非对称的D-MOS结构14 2.3 沟槽栅IGBT结构15 2.4 透明集电极IGBT结构16 2.5 新颖的IGBT结构16 2.6 横向IGBT结构18 2.7 互补的IGBT结构19 2.8 总结19 参考文献19 第3章 IGBT结构设计21 3.1 阈值电压21 3.2 对称结构IGBT 22 3.2.1 阻断电压23 3.2.2 开态特性24 3.2.3 积累电荷27 3.2.4 关断波形29 3.2.5 关断损耗31 3.2.6 能量损耗折中曲线31 3.3 非对称结构IGBT 33 3.3.1 阻断电压33 3.3.2 开态特性35 3.3.3 积累电荷39 3.3.4 关断波形41 3.3.5 关断损耗44 3.3.6 能量损耗折中曲线47 3.4 透明集电极IGBT 50 3.4.1 阻断电压50 3.4.2 开态特性51 3.4.3 积累电荷55 3.4.4 关断波形55 3.4.5 关断损耗58 3.4.6 能量损耗折中曲线59 3.5 SiC IGBT 62 3.5.1 N型非对称SiC IGBT 62 3.5.2 阻断电压63 3.5.3 导通电压降65 3.5.4 关断特性67 3.5.5 关断损耗70 3.6 优化非对称结构SiC IGBT结构70 3.6.1 优化结构设计70 3.6.2 导通电压降71 3.6.3 关断特性72 3.6.4 能量损耗折中曲线73 3.6.5 最大工作频率75 3.7 总结76 参考文献76 第4章 安全工作区设计79 4.1 寄生晶闸管79 4.2 抑制寄生晶闸管80 4.2.1 深P+扩散80 4.2.2 减小栅氧化层厚度81 4.2.3 空穴电流分流结构84 4.2.4 器件元胞拓扑85 4.2.5 抑制闩锁器件结构88 4.3 安全工作区89 4.3.1 正偏SOA 90 4.3.2 反偏SOA 92 4.3.3 短路SOA 93 4.4 新型硅器件结构94 4.5 碳化硅器件95 4.6 总结95 参考文献96 第5章 芯片设计､保护和制造97 5.1 有源区97 5.2 栅极压焊块设计99 5.3 边界终端设计101 5.4 集成传感器103 5.4.1 过电流保护103 5.4.2 过电压保护106 5.4.3 过温保护107 5.5 平面栅器件制造工艺108 5.6 沟槽栅器件制造工艺110 5.7 寿命控制113 5.8 总结114 参考文献115 第6章 封装和模块设计117 6.1 分立器件的封装117 6.2 改进的分立器件封装119 6.3 基本的功率模块120 6.4 扁平封装的功率模块122 6.5 无金属基板的功率模块123 6.6 智能功率模块124 6.6.1 双列直插型封装124 6.6.2 智能功率单元126 6.7 可靠性126 6.8 总结127 参考文献128 第7章 门驱动电路设计129 7.1 基本的门驱动129 7.2 非对称的门驱动130 7.3 两级门驱动130 7.4 有源栅电压控制131 7.5 可变的栅电阻驱动132 7.6 数字的门驱动133 7.7 小结134 参考文献135 第8章 IGBT模型136 8.1 基于物理机制的电路模型136 8.1.1 SABER NPT-IGBT电路模型136 8.1.2 SABER PT-IGBT电路模型139 8.1.3 SABER IGBT电热模型141 8.1.4 SABER IGBT1模型142 8.2 IGBT模拟行为模型143 8.3 模型参数提取144 8.4 总结145 参考文献145 第9章 IGBT应用：运输146 9.1 汽油驱动的汽车146 9.1.1 凯特林机械点火系统146 9.1.2 电子点火系统146 9.1.3 点火IGBT设计147 9.1.4 双电压钳位的点火IGBT设计149 9.1.5 智能点火IGBT设计151 9.1.6 点火IGBT产品151 9.2 电动和混合动力电动汽车152 9.2.1 电动汽车逆变器设计152 9.2.2 电动汽车IGBT芯片设计155 9.2.3 电动汽车再生制动156 9.3 电动汽车充电站157 9.3.1 电动汽车充电要求157 9.3.2 电动汽车充电电路157 9.4 电动公共汽车159 9.4.1 电动公共汽车控制电路160 9.4.2 电动公共汽车充电161 9.5 有轨电车和无轨电车162 9.6 地铁和机场火车164 9.7 电力机车166 9.7.1 直流电源总线166 9.7.2 交流电源总线167 9.7.3 多系统电力机车168 9.8 柴油电力机车168 9.9 高速电气火车169 9.9.1 电动机驱动拓扑结构169 9.9.2 IGBT模块设计171 9.10 船舶推进装置172 9.10.1 滚装货轮174 9.10.2 游轮174 9.10.3 液化天然气运输船175 9.10.4 船舶电路断路器175 9.11 全电飞机177 9.11.1 DC-DC转换器178 9.11.2 DC-AC逆变器178 9.11.3 机电飞机舵机执行器179 9.11.4 无刷直流电动机驱动179 9.11.5 IGBT模块179 9.11.6 IGBT的宇宙射线失效180 9.12 总结180 参考文献180 第10章 IGBT应用：工业185 10.1 工业电动机驱动185 10.2 用于电动机控制的可调速驱动186 10.3 脉宽调制的可调速驱动187 10.3.1 脉宽调制波形187 10.3.2 功率损耗折中曲线189 10.3.3 功率损耗分析191 10.4 工厂自动化192 10.4.1 互补的IGBT 193 10.4.2 P沟道IGBT设计194 10.5 机器人19
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