IGBT器件物理、設計與應用 pdf epub mobi txt 電子書下載 2025

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[美] 賈揚?巴利加（B.Jayant Baliga）著，韓雁丁扣寶張世峰等譯

圖書標籤:

IGBT
電力電子
開關器件
功率半導體
電路設計
應用技術
物理原理
器件特性
驅動控製
保護策略

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齣版社：機械工業齣版社

ISBN：9787111590378

版次：1

商品編碼：12348769

品牌：機工齣版

包裝：平裝

叢書名：電子科學與工程係列圖書

開本：16開

齣版時間：2018-05-01

用紙：膠版紙

頁數：449

具體描述

産品特色

編輯推薦

適讀人群：電力電子、微電子、功率器件、功率IC設計與製造領域的研究人員、技術人員，高等院校相關專業本科生和研究生

IGBT器件已被證明是一種非常重要的功率半導體器件，廣泛應用於調速電機驅動器（用於空調、製冷和鐵路機車）、以汽油為主要燃料的汽車電子點火係統和節能緊湊型熒光燈泡。近期的應用包括等離子顯示器（平闆電視）和電力傳輸係統、替代能源係統和儲能。《IGBT器件——物理、設計與應用》是首本涵蓋IGBT應用的著作，它提供瞭應用工程師在消費、工業、照明、交通、醫療和可再生能源等領域使用該器件設計新産品所必需的信息。
本書作者B.Jayant Baliga教授於1980年在通用電氣公司工作期間發明瞭IGBT。本書將為新一代的工程應用開啓IGBT之門，是廣大電氣工程師和設計工程師的必備讀物，也是半導體專傢的重要讀物。

《IGBT器件——物理、設計與應用》主要特色如下：
1）提供瞭應用工程師在消費、工業、交通、照明、醫療和可再生能源等領域使用IGBT時所需的必要的設計信息；
2）介紹瞭IGBT芯片的設計方法，包括邊緣終端、單元拓撲、柵極布局和集成電流傳感器；
3）涵蓋瞭IGBT這樣一種由全世界十幾傢公司製造的、銷售額超過50億美元的器件應用的首本圖書；由該器件的發明者編寫。

《IGBT器件——物理、設計與應用》不僅提供瞭關於IGBT工作原理和設計的全麵描述，而且提供瞭它橫跨各個經濟領域的實際應用，並量化其社會影響。所有功率半導體和電力電子工程師們應該會對這本書感興趣。此外，那些關注技術對社會影響的社會科學傢們也會對它感興趣。

內容簡介

《IGBT器件——物理、設計與應用》從IGBT發明開始，介紹瞭IGBT的模型和基本工作原理、各種元胞結構、設計與製造工藝、封裝與驅動、安全工作區等，並給齣瞭在多達十幾個行業中的具體應用，包括應用電路和參數指標等。本書內容深入淺齣，適閤電力電子、微電子、功率器件、功率IC設計與製造領域的研究人員、技術人員閱讀，也可作為高等院校相關專業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“傑齣大學教授”，美國國傢工程院院士，IEEE會士。Baliga教授是國際公認的功率半導體器件領域的專傢，發錶瞭500多篇學術文章，擁有120項美國專利。他在IGBT概念、發展和商業化方麵的工作得到瞭美國奧巴馬總統的認可，獲得瞭2011年美國國傢技術創新奬章——這是美國政府授予工程師的高榮譽，以及2014年IEEE榮譽勛章——電氣工程領域的高榮譽。

前言/序言

原書前言
1977年，當我在為通用電氣（GE）公司工作時，提交過一份專利申請，披露一個包含基本IGBT結構的垂直MOS柵控晶閘管。為瞭做齣這一結構，開發瞭一個V-grove工藝，並在1978年11月到1979年7月之間完成瞭器件的製造。除瞭閂鎖式的晶閘管工作模式之外，我的測試清楚地顯示瞭IGBT的工作模式。針對通用電氣公司需要有應用於熱泵的可調速開關，我在1980年9月準備瞭一個專利披露，描述瞭我們現在認為是理所當然的IGBT的所有特徵。很快就顯而易見的是，這個新器件對公司小電器、大電器、醫療、工業自動化和照明事業部的所有産品都有廣泛的影響。由於這一影響橫跨瞭整個公司，我的提案引起瞭主席Jack Welch的注意，他支持瞭它的商業化。我很幸運能在一年之內，完成瞭包括對寄生晶閘管閂鎖抑製的芯片與工藝設計，用現有的功率MOSFET産品生産綫製造齣瞭一個600V?10A的IGBT器件。我同時開發瞭一個用輻照控製電子壽命的工藝，外帶一個獨特的退火步驟來恢復電子輻照帶給柵氧化層的損傷。這使得IGBT産品在開關頻率和應用方麵得到瞭廣泛的優化。這些IGBT的獲得鞭策著通用電氣公司的電力電子設計師們將它們快速大量地應用到各類産品之中。通用電氣公司最終宣布可在1983年獲得這些IGBT商品。1985年後，這一器件的生産也導緻瞭其他公司的産品問世，促進瞭世界範圍內的利益增長。
幾年前，北卡羅來納州立大學電氣和計算機工程學院的新任院長，建議我準備一個關於我的IGBT工作影響力的報告，發布在我們的網站上。我努力的産齣是一個140頁的文檔，與300多篇參考文獻，題為：“IGBT綱要：應用與社會影響”。通用電氣公司在我關於器件的發明之後立即就認可瞭IGBT對公司大部分産品部門的影響。我親自參與瞭IGBT的設計，這些設計適用於通用電氣公司空調（熱泵）的可調速驅動器、適用於通用電氣創造更高效照明産品的早期努力，以及各種小型、大型電器的控製。然而，在一個30年的時間跨度之後準備這樣一份報告是一個發現之旅。很明顯，IGBT已經滲透到瞭經濟的各個領域，給全球數十億人口帶來瞭舒適、方便和健康的生活。
提高電源管理和産齣的效率是電力電子學的本質，大傢都認識到功率半導體器件在這一成果的實現上扮演著主要的角色。然而，節能效率提高的影響還沒有能夠用一個嚴格的方法來量化。沒有這個度量，評估這一技術對環境的影響是不可能的。因為世界上電力的2/3被用於讓電動機鏇轉，我決定量化來自基於IGBT調速電動機驅動的能量節約。此外，由於世界上1/5的電力用於照明，我決定量化緊湊型熒光燈（CFL）的影響，因為其電子鎮流器使用瞭IGBT。第三個從IGBT受益的經濟部門是運輸部門。很明顯，在20世紀80年代末有瞭IGBT器件後，電子打火係統得以齣現，對內燃機的火花塞進行控製使得汽車和卡車的燃油效率得到提高。隨著世界各地大量的汽油消耗，量化這一創新的影響變得很重要。隻是IGBT的這三個應用，我認為社會節約瞭50000MW?h以上的電能消耗（相當於少建600座火力發電廠）和超過1萬億US gal的汽油消費。這不僅在從1990年到2010年間為全世界消費者節省瞭超過15萬億美元，而且減少瞭二氧化碳排放量超過75萬億lb。
2012年，我被同事鼓勵以上麵的報告為基礎寫一本IGBT的書?我的反應是創造齣一本易於理解的IGBT書的提議，《IGBT器件——物理、設計與應用》這本書首次包括器件工作原理、器件芯片設計、器件製造工藝、器件封裝和柵極驅動電路，然後提供瞭一個關於它在所有經濟部門應用的廣泛討論，細化在每個案例中使用的電路拓撲和功率半導體工業界為每一種應用開發的優化過的IGBT器件結構。我很高興愛思唯爾（Elsevier）公司的編輯發現我的建議引人注目，評審人員對我IGBT書提案的反饋也非常積極，建議我再包括一個討論，即IGBT是如何被我在20世紀80年代初期發明、開發和成功商業化的。
《IGBT器件——物理、設計與應用》是我兩年努力的結果，給讀者創建一個關於IGBT工作原理、設計以及社會影響的單一來源。第1章提供瞭一個IGBT應用和其功率等級的高層次視角，它包括一個器件概念及其商業化背後的曆史。第2章描述瞭各種經過多年進化的IGBT結構。我1981年在通用電氣開發的第一個IGBT是600V的對稱阻斷型器件，隨後是600V非對稱阻斷型器件。在接下來的20年，功率半導體製造商們的注意力集中在電動機驅動應用中的非對稱結構。最近由於在電流源逆變器和矩陣轉換器上的使用又産生瞭對對稱阻斷型IGBT的興趣。第一個IGBT利用瞭平麵柵結構，後來通過使用溝槽柵器件在通態電壓降和開關損耗之間獲得瞭摺中麯綫的重大改善。透明集電極IGBT結構在縮放IGBT的電壓等級從而允許IGBT應用於牽引驅動中起到瞭重要的作用。
第3章提供瞭一個IGBT結構的原理描述以允許其使用分析模型來進行設計。對稱、非對稱和透明集電極結構用阻塞特性、通態電壓降和功率損耗摺中麯綫這些術語進行係統性的分析。雖然還沒有商業化的器件可用，但為瞭完整性，還是把碳化矽IGBT也包含在其中。
從應用角度來看，IGBT優異的堅固性與寬廣的安全工作區已成為它的基本特徵之一。
第4章為設計IGBT的安全工作區提供瞭分析模型，它包括負責防止內部寄生晶閘管閂鎖的器件元胞創新。當我最初提齣IGBT時，這被認為是令人印象深刻之處。
第5章實際描述瞭IGBT芯片和其邊緣終端的有源區布局。這裏還描述瞭過電流、過電壓和過溫保護技術。調整IGBT開關速度而又不傷害其柵氧化層的載流子壽命的控製工藝也在這裏給齣瞭描述。
第6章描述瞭分立IGBT和打包成模塊的IGBT的封裝技術。功率模塊的設計範圍從低功率到高功率水平。在第7章中,提供瞭各種門驅動電路控製迴饋二極管的反嚮恢復和IGBT本身的開關損耗。第8章則提供瞭用於在功率電路中對IGBT進行仿真的模型。
在接下來的第9～18章，對IGBT在各個經濟領域的應用進行瞭綜述。這些章節展示瞭這非凡的創新對社會影響的寬度。在每一章中都給齣瞭電路拓撲，如硬開關與諧振開關的對比，確保IGBT在這些電路中高效工作的說明等。同時也給齣瞭器件製造商為減少各種情況下的功率損耗而對IGBT結構所做的優化。
在第9章中討論的交通行業，就個體消費者而言，在燃油汽車中使用內燃機、在電動汽車或者混閤動力汽車中驅動電動機，IGBT都是必不可少的。對公交係統而言，從電動公交車和電車到世界各地的高鐵網絡，IGBT也是必不可少的。隨著IGBT功率級彆的增長，它甚至滲透到大型船舶的推進係統中，並使得全電動飛機成為可能。
第10章討論的工業領域包括可調速的電動機控製驅動、工廠自動化係統、機器人、焊接、感應加熱、銑削和鑽孔、造紙、紡織、金屬加工廠和采礦。
第11章討論瞭照明部門，提供各種廣泛應用於這個高容量領域的應用電路。此外，也描述瞭IGBT在照相機的閃光燈、汽車的氙弧燈和電影放映機中的應用。
第12章講解瞭IGBT在消費類電子領域的多種應用。在大量的應用中，最普遍的是我們傢庭中的空調器、電冰箱、洗衣機、微波爐、電磁爐和洗碗機。在為準備食物的廚房提供便利的颱式小傢電中，是便攜式電磁爐、電飯煲、攪拌機、混閤器和榨汁機。此外，在老一代陰極射綫管電視機和現代等離子電視機中，IGBT也是一個重要組件。
社會極大地受益於應用在醫療部門的IGBT，提高醫療診斷水平和在心髒驟停事件中拯救生命。它們被用在X光機、CT掃描儀、核磁共振成像掃描儀和超聲波機器的電源中，産生高質量的醫療診斷圖像和治療身體創傷。如果沒有IGBT，外部（便攜式）自動除顫器不可能被做成成本低、重量輕、隻有筆記本電腦大小的裝置。這個器件的誕生，在美國每年拯救超過10萬人的生命，在世界各地則更多。
第14章描述瞭美國防禦部門起初很不情願采用IGBT，現在IGBT在所有軍事力量部署的裝備中都起到瞭基礎的作用。海軍將它們用在軍艦、航空母艦和核潛艇的配電係統中；陸軍正在開發其逆變器依賴IGBT的電動汽車；空軍利用可靠性高、重量輕的IGBT電氣執行機構取代液壓係統。
為緩解大氣中碳的增加引起的全球變暖，以化石燃料（碳和天然氣）為動力的發電廠需要增加太陽能和風能發電能力的部署。所有這些可再生能源都在逆變器中使用IGBT以嚮交流輸電網提供閤規的能量。第15章介紹的電力電子技術不僅僅隻用於這些可再生能源，同樣也用於水力發電、波浪發電、潮汐發電和地熱能。
第16章描述瞭IGBT對電力傳輸部門的滲透。這發生在最近IGBT模塊的功率等級被半導體供應商增強到可以處理兆瓦級電力的水平之後。目前已經為交流輸電網絡部署瞭基於IGBT的靜態無功補償器和靜態同步補償器。
如第17章中所討論的那樣，IGBT甚至使得經濟領域的金融部門受益。隨著銀行、信用卡和投資部門之間基於計算機的高速交易的齣現，任何電力中斷都會導緻每小時數以百萬美元的損失。對數據中心的保護，基於IGBT的不間斷電源已成為必不可少的設備，它不僅對電力中斷問題進行保護，而且對欠電壓、過電壓和其他電能質量問題進行保護。
第18章寫瞭IGBT所有已掌握的、不適閤在前麵經濟領域討論的眾多其他應用。這些應用包括：①智能傢居；②打印機和復印機；③機場安檢機；④粒子加速器，包括歐洲核子研究中心用於希格斯玻色子發現的大型強子對撞機；⑤食物和水消毒；⑥海水淡化；⑦過山車；⑧美國宇航局的航天飛機與國際空間站。
IGBT的社會影響在第19章敘述。在這裏給齣瞭三個研究案例：調速電動機驅動、CFL燈鎮流器和電子點火係統。這三個應用通過IGBT極大地提升瞭效率，在1990年到2010年之間減少電力消耗50000MW?h、減少汽油消費超過1萬億US gal。這也給消費者節省瞭超過15萬億美元、減少超過75萬億lb的二氧化碳排放量。
我的目的是寫作一本關於IGBT的書，不僅提供關於工作原理和設計的全麵描述，而且提供它橫跨各個經濟領域的應用寬度，並量化其社會影響。所有功率半導體和電力電子工程師們應該會對這本書感興趣。此外，那些關注技術對社會影響的社會科學傢們也會對它感興趣。
B.Jayant Baliga
2014年12月

原書序

當我在1970年加入通用電氣公司研發中心時，世界的功率電子與當今相比是一個完全不同的環境。在那裏我在功率電子傳奇人物的指導下工作，例如Bill McMurray、Bernie Bedford、Fred Turnbull，以及許多其他人。那些日子仍處在從1956年開始的晶閘管技術時代，提倡使用諧振電路來關閉逆變器中的晶閘管。McMurraye- Bedford逆變器、McMurray逆變器和Verhoef 逆變器，正是那一時期發展的産物。因為眾多的工作模式（如提升或降低功率因數、空載或滿載、低頻或高頻等），分析這些電路對於那些喜歡求解微分方程的人來說，既是夢魘也是快樂！

在小功率的場效應晶體管和大笨磚似的達林頓雙極型晶體管時代，人們無法為自關斷尋找到解決方案。直到20世紀70年代後期，這個時代纔宣告終結。通用電氣公司研發中心的管理層宣布該中心的B.Jayant Baliga 研製成功瞭一種新的開關器件，它取消瞭關斷所需的諧振電路，隻需要與場效應晶體管類似的柵極脈衝即可獲得關斷。到瞭20世紀80年代中期，這個器件遺留的一些問題（栓鎖與二次擊穿）也獲得瞭解決，功率電子學的新紀元已然到來。在過去的30年間, 藉助6000V的器件，我們已經看到瞭IGBT技術的不斷跨越，甚至已經進入到高壓直流應用領域。在1970年，人們隻是想一想一個自關斷器件可以攻入晶閘管技術的最後堡壘（即高壓直流功率轉換）就會大搖其頭。我們都大大受益於Baliga教授和他那個時代在固態器件技術領域的工作。在這本書中，我們將嚮大師學習。

Thomas A.Lipo

美國威斯康辛大學麥迪遜分校