高压IGBT模块应用技术

作者简介

本书全面阐述了高压IGBT模块的芯片、封装制造、测试与应用技术。在应用技术中又着重介绍了高压IGBT模块的驱动、保护、失效分析以及在轨道牵引、高压变频、风力发电和高压直流输配电中的应用要点。

本书内容新颖，介绍了最前沿的高压IGBT模块制造技术和应用设计技术；内容全面，涵盖了高压IGBT模块产品工程的全部技术：芯片技术、封装技术、制造技术、测试技术、可靠性技术和应用技术等；注重理论与实用的结合，很多内容是基于实验室和现场应用的实测结果。

本书非常适合电力电子装置设计工程师、功率半导体应用技术人员参考和使用，无论从事哪个领域进行开发设计，本书都会有所助益。本书对在大专院校里从事电力电子技术研究的广大师生也很有帮助。同时本书介绍的封装技术、制造技术、测试技术、可靠性技术等对半导体器件研发工程师和科研管理者也有参考价值。

书籍目录

前言

第1章概述1

11电力电子技术概述1

12功率半导体器件的发展1

13IGBT模块概述3

14IGBT模块的关键技术5

15IGBT模块的主要应用领域8

16IGBT模块的发展趋势10

参考文献14

第2章高压IGBT模块的芯片技术15

21IGBT的基本结构和工作原理15

22高压IGBT芯片的发展16

23高压IGBT芯片的表面栅结构17

231平面栅IGBT17

232沟槽栅IGBT18

24高压IGBT芯片的纵向结构18

25英飞凌最新高压IGBT芯片技术介绍：Trench+FS技术20

26日立最新高压IGBT芯片技术介绍：Trench HiGT+sLiPT技术21

27三菱电机最新高压IGBT芯片技术介绍：CSTBTTM+LPT技术22

28ABB最新高压IGBT芯片技术介绍：Fine planar+SPT+技术23

29SiC芯片技术23

210RC(逆导)IGBT芯片技术24

参考文献25

第3章高压IGBT模块的封装与制造技术26

31高压IGBT模块的封装与结构26

311高压IGBT模块的封装26

312高压IGBT模块的内部拓扑电路28

313高压IGBT模块的内部结构29

314高压IGBT模块的构成材料30

32高压IGBT模块制造过程34

321晶圆制备过程34

322芯片制造过程35

323模块组装过程37

324模块组装完成后的测试及包装37

33高压IGBT模块的可靠性测试39

331可靠性测试概述39

332功率循环可靠性与热循环可靠性42

34高压IGBT模块封装的技术要求与发展趋势45

35各制造厂商高压IGBT模块型号的定义48

参考文献49

第4章高压IGBT模块的动静态参数及其测试50

41如何阅读高压IGBT模块的数据手册50

411绝对最大参数50

412高压IGBT模块的推荐参数55

413特性曲线61

42高压IGBT模块静态参数的测试方法68

43高压IGBT模块动态参数的测试方法72

431半桥电路和双脉冲测试72

432高压IGBT模块的开通过程测试与分析74

433高压IGBT模块的关断过程测试与分析75

434高压IGBT模块的反向恢复过程测试与分析76

435FWD的I2t测试78

436高压IGBT模块半桥测试平台的构建79

参考文献85

第5章高压IGBT模块的驱动86

51高压IGBT模块驱动电路的基本功能和设计要求86

52高压IGBT模块开通和关断过程中的栅极电压和电流波形88

53栅极驱动电压的选取89

54栅极驱动电阻的选取90

55栅极输出峰值电流和驱动功率的计算96

56高压IGBT模块驱动电路中的DC/DC变换器98

57驱动电路的栅极隔离方式102

58栅极电压钳位技术103

59外接栅极发射极电阻RGE和电容CGE104

510高压IGBT模块驱动的有源钳位技术106

511高压IGBT模块驱动的di/dt反馈技术111

512高压IGBT模块分段开通与关断技术113

513高压IGBT模块驱动的软关断技术117

514欠电压保护电路118

515短脉冲抑制电路119

516死区时间119

5161死区效应119

5162死区时间的计算方法120

517驱动电路的布局与栅极布线124

518栅极电压的测试方法126

519集成高压IGBT模块驱动器介绍127

参考文献130

第6章高压IGBT模块的保护131

61高压IGBT模块的过电压保护131

611高压IGBT模块关断浪涌电压产生的原因131

612常用直流侧电压Vdc检测电路132

613吸收电路133

614降低主回路杂散电感量LS137

615驱动电路采用有源钳位抑制浪涌电压尖峰139

62高压IGBT模块的短路保护141

621短路与过载141

622高压IGBT模块的2种短路模式142

623高压IGBT模块短路能力的评价标准144

624短路故障的检测方法145

625影响短路电流大小的因素149

626降低高压IGBT模块短路时栅极电压峰值的方法151

63高压IGBT模块的过温保护155

631高压IGBT模块的功耗计算156

632结温的计算161

633高压IGBT模块的冷却方式164

64高压IGBT模块并联应用时的均流保护167

641影响高压IGBT模块稳态电流均衡的因素167

642影响高压IGBT模块动态电流均衡的因素170

65高压IGBT模块串联应用时的均压保护172

66高压IGBT模块安装时的注意事项176

661安装方法176

662导热硅脂的涂抹方法176

663散热器的表面粗糙度和平面度178

67高压IGBT模块运输与取用时的注意事项179

68高压IGBT模块保存时的注意事项180

参考文献180

第7章高压IGBT模块的失效原因与失效模式181

71高压IGBT模块失效分析概述181

72高压IGBT模块失效与否的判定方法184

721用万用表简单检查高压IGBT模块是否损坏185

722通过参数测量准确判定高压IGBT模块是否失效186

73高压IGBT模块的失效原因分析187

731超出RBSOA导致的IGBT单元失效原因188

732超出SCSOA导致的IGBT单元失效原因189

733栅极过电压导致的高压IGBT模块失效原因191

734结温过高导致的IGBT单元失效原因191

735FWD单元失效原因192

74高压IGBT模块的失效模式196

741高压IGBT模块的VCE过电压损坏模式196

742高压IGBT模块的VGE过电压损坏模式197

743高压IGBT模块的过电流损坏模式197

744高压IGBT模块的过热损坏模式198

745功率循环失效模式199

746热循环失效模式200

747RBSOA失效模式200

748SCSOA失效模式201

749RRSOA失效模式201

参考文献202

第8章高压IGBT模块在轨道牵引中的应用203

81轨道牵引中的电力电子技术概述203

82轨道牵引中的变流器主电路拓扑205

821电力机车和动车组车辆用牵引变流器的主电路拓扑206

822电力机车和动车组车辆用辅助变流器的主电路拓扑206

823城市轨道交通车辆用牵引逆变器的主电路拓扑209

824城市轨道交通车辆用辅助逆变器的主电路拓扑210

825牵引变流器的构成部件212

83高压IGBT模块在轨道牵引中的应用214

831轨道牵引变流器中高压IGBT模块电压电流等级的选型214

832对高压IGBT模块短路耐量及I2t的要求216

833对高压IGBT模块关断能力的要求217

834对高压IGBT模块的寿命要求219

835轨道牵引对高压IGBT模块长期直流稳定性的要求223

836四象限脉冲整流器223

837轨道牵引中高压IGBT模块的冷却方式226

84轨道牵引中的电动机控制策略227

841异步电动机的矢量控制227

842异步电动机的直接转矩控制236

参考文献244

第9章高压IGBT模块在中高压变频器中的应用246

91中高压变频器概述246

92高压IGBT模块在功率单元级联中高压变频器中的应用246

921功率单元级联中高压变频器的工作原理246

922功率单元中高压IGBT模块的功耗分布250

923功率单元级联中高压变频器中IGBT模块的选型251

93高压IGBT模块在二极管钳位三电平中高压变频器中的应用253

931二极管钳位三电平逆变器工作原理253

932二极管钳位三电平逆变器中高压IGBT模块的功耗计算方法256

933二极管钳位三电平逆变器中IGBT模块的吸收电路设计259

934二极管钳位三电平逆变器的中点电位平衡电路262

935二极管钳位三电平中高压变频器中高压IGBT模块的选型266

936二极管钳位三电平电路的短路方式268

94中高压变频器的其他电路拓扑简介268

参考文献269

第10章高压IGBT模块在VSCHVDC中的应用270

101VSCHVDC技术概述270

102基于高压IGBT模块直接串联的两电平和三电平电压源换流器272

103模块化多电平电压源换流器(MMCVSC)274

1031模块化多电平电压源换流器的工作原理274

1032模块化多电平电压源换流器中高压IGBT模块的选型277

参考文献280

第11章高压IGBT模块在风力发电中的应用282

111风力发电概述282

112风电变流器的主电路拓扑284

1121双馈型风电变流器的主电路拓扑284

1122直驱型风电变流器的主电路拓扑284

1123风电变流器的构成286

113风力发电应用中对高压IGBT模块的要求287

1131风电变流器中高压IGBT模块的选型287

1132风电变流器对高压IGBT模块的可靠性要求288

114高压IGBT模块在低电压穿越中的应用288

115基于4500V高压IGBT模块的中压风电变流器291

116高压IGBT模块在高海拔风力发电中的应用293

117高压IGBT模块在海上风力发电中的应用295

118高压IGBT模块在风电变流器中的失效原因分析295

参考文献296

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