《IGBT模块:技术、驱动和应用(中文版·原书第2版)》的主要目的是使读者能够更容易地理解IGBT的基本特性以及了解其应用技术。《IGBT模块:技术、驱动和应用(中文版·原书第2版)》将有助于学生认识当前主要功率半导体器件及其应用，并可以帮助电力电子变换器研发工程师全面而清晰地学习IGBT模块的选型、计算和应用设计。

作者：（德国）安德烈亚斯·福尔克（Andreas Volke） （德国）麦克尔·郝康普（Michael Hornkamp） 译者：韩金刚 

安德烈亚斯·福尔克（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Power Integrations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全球技术支持。 

麦克尔·郝康普（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。

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。

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

译者序自从20世纪80年代发明绝缘栅双极型晶体管（IGBT）以来， IGBT技术发展迅速，其作为电能变换的核心器件，涵盖了从几十瓦到几十兆瓦的电力电子应用。目前IGBT已经广泛地应用于消费类电器、工业控制、新能源发电、智能电网、机车牵引和电动汽车的交通运输领域，成为变流装置的主要开关器件。中国作为能源生产和消费大国，IGBT大量用于功率变换中，以实现新能源产生、传输和高能效的利用。为此，中国制定了IGBT的相关国家标准，开始推进IGBT的研究和产业发展，但目前国内系统论述IGBT的专著和教材很少。 

本书的英文原版是关于IGBT应用技术的专著，由两位长期在英飞凌从事IGBT应用技术推广的工程师编写，基本概念论述清楚，并以双脉冲为基础实验方法，讲述IGBT的动态特性、IGBT驱动技术和功率单元的设计和验证方法，应用实例丰富，是体现当今IGBT、IGBT驱动及其应用技术的参考书。 

两位作者Andreas Volke 和Michael Hornkamp都毕业于德国SOEST应用科技大学的电气能源技术系，长期从事功率半导体应用技术的研发工作。Andreas Volke 和Michael Hornkamp分别于2003年和2000年加入英飞凌科技，并参与了IGBT模块和IGBT驱动的研发。本书既是作者长期工作经验和成果的积累，也是英飞凌科技有限公司在功率半导体领域技术的凝练，是一部集理论、技术、产品、应用实践为一体的优秀著作。 

英飞凌公司作为国际最主要的IGBT生产厂商之一，长期致力于IGBT和IGBT模块的研发、制造和应用技术的开发，始终引领全球的IGBT的技术标准的发展，也非常注重应用技术推广和学生的培养。英飞凌在中国每年举办和参加技术论坛，为国内从业人员和企业提供技术培训和支持，还通过英飞凌中国大学计划将先进的技术和理念传播到国内高校，每年举办英飞凌学者论坛进行学术交流，促进了中国IGBT技术的发展和应用。 

德国科学院院士Leo Lorenz教授退休前为英飞凌有限公司的高级总工程师，退休后仍然奔波于世界各地，讲授和推广IGBT技术。每年他都到中国访问数次，在多个高校讲学，也是在上海举办的PCIM Asia国际会议的主席。 

上海海事大学电力传动与控制研究所通过国家“高端人才项目”聘请Leo Lorenz博士来华执教，并与中国电源学会联合举办“国际电力电子器件与应用高端课程”，旨在推进IGBT技术的研究和发展。上海海事大学电力传动与控制研究所与英飞凌科技也保持着良好的合作关系，英飞凌也每年参与高端课程的授课并提供实验装置。 

本书的主要特色在于系统地阐述IGBT原理、特性和应用之间的关系，从而帮助学生全面地认识功率半导体器件及其应用，并有助于电力电子研发工程师掌握IGBT模块的选型、设计和应用。经多位高校老师的推荐，机械工业出版社引进本书并获得中文版翻译权和专有出版权，上海海事大学汤天浩教授推荐译者主持翻译工作。 

本书从翻译到最后出版得到了英飞凌科技（中国）有限公司工程师团队以及汤天浩教授的极大鼓励和帮助，译者对他们表示由衷的感谢！同时，译者所在课题组的研究生杨腾飞、杨义、胡惠雄、吴鹏、陈铭、万一彬等分担了大量的文字录入和校对工作，在此，译者对他们一并表示感谢。 

希望本书的翻译出版能为国内读者学习和掌握IGBT的先进技术提供帮助，让从业人员能更好地应用IGBT研制出技术领先的变流装置和电源，进而促进中国电源技术的提升和发展。 

由于译者水平及经验有限，本书可能存在不当与疏漏之处，敬请广大读者批评指正。 

译者2016年3月IGBT模块：技术、驱动和应用序序随着MOS控制功率半导体器件的出现和发展，电力电子技术实现了高功率密度和高效率的突破，同时也使系统的可靠性进一步提高，并给出了更经济的技术解决方案。在几十瓦到几兆瓦的功率范围内，IGBT一直是关键技术，其卓越的性能意味着IGBT不仅可以取代现有系统中传统的完全可控功率半导体器件，而且开启了全新的应用领域。然而，对器件技术的理解程度，对应用和工作需求的认识，设计和测试驱动电路及保护功能，是系统能够在全功率范围内安全、可靠运行的重要因素。与此同时，也要兼顾优化系统成本。 

目前，针对电力电子变换器、开关拓扑和系统已经发表和出版了大量高质量的论文和书籍，而一些综合性的作品则从理论和设计实现技术方面分别阐述了主要新型功率半导体元件的半导体物理学原理和元胞结构。 

本书的独特之处在于它填补了半导体物理学与电力电子技术之间的空白，并为这些器件的用户提供了有力的支持。 

两位作者过去20年里，一直努力在该领域收集资料，并以可读的形式展示给读者。他们致力于应用和推广这一新技术，因此特别值得给予嘉奖。非常幸运，两位作者都参与了全系列功率IGBT新型应用的研发，而且参与了IGBT驱动和保护设计的定型，同时也熟悉高性能IGBT的测量手段及应用系统。 

本书将有助于学生认识当前主要功率半导体器件及其应用，并可以帮助电力电子变换器研发工程师全面而清晰地学习IGBT模块的选型、计算和应用。 

在这里，我对作者的辛苦工作表示由衷的感谢，并祝愿本书能够成为电力电子领域新的里程碑和研发的标杆。 

                                  LeoLorenz教授IEEEFellow科学院院士慕尼黑，2010年夏