高压IGBT模块应用技术 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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龚熙国 著

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• 逆变器
• 新能源
• 电力系统
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• 功率半导体

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出版社： 机械工业出版社

ISBN：9787111514237

商品编码：29570365469

包装：平装

出版时间：2015-11-01

基本信息

书名：高压IGBT模块应用技术

定价：59.00元

作者：龚熙国

出版社：机械工业出版社

出版日期：2015-11-01

ISBN：9787111514237

字数：

页码：

版次：1

装帧：平装

开本：16开

商品重量：0.4kg

编辑推荐

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“十二五”国家重点图书出版规划项目，系统地阐述了高压IGBT模块的应用技术。

内容提要

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本书全面阐述了高压模块的芯片、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，介绍了前沿的高压模块制造技术和应用设计技术；内容全面，涵盖了高压模块产品工程的技术：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。

目录

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前言第章概述11电力电子技术概述12功率半导体器件的发展13IGBT模块概述14IGBT模块的关键技术15IGBT模块的主要应用领域16IGBT模块的发展趋势参考文献第章高压模块的芯片技术21IGBT的基本结构和工作原理22高压芯片的发展23高压芯片的表面栅结构231平面栅232沟槽栅24高压芯片的纵向结构25英飞凌新高压芯片技术介绍：技术26日立新高压芯片技术介绍：Trench HiGT sLiPT技术27三菱电机新高压芯片技术介绍：技术28ABB新高压芯片技术介绍：技术29SiC芯片技术210RC(逆导芯片技术参考文献第章高压模块的封装与制造技术31高压模块的封装与结构311高压模块的封装312高压模块的内部拓扑电路313高压模块的内部结构314高压模块的构成材料32高压模块制造过程321晶圆制备过程322芯片制造过程323模块组装过程324模块组装完成后的测试及包装33高压模块的可靠性测试331可靠性测试概述332功率循环可靠性与热循环可靠性34高压模块封装的技术要求与发展趋势35各制造厂商高压模块型号的定义参考文献第章高压模块的动静态参数及其测试41如何阅读高压模块的数据手册411大参数412高压模块的推荐参数413特性曲线42高压模块静态参数的测试方法43高压模块动态参数的测试方法431半桥电路和双脉冲测试432高压模块的开通过程测试与分析433高压模块的关断过程测试与分析434高压模块的反向恢复过程测试与分析435FWD的测试436高压模块半桥测试平台的构建参考文献第章高压模块的驱动51高压模块驱动电路的基本功能和设计要求52高压模块开通和关断过程中的栅极电压和电流波形53栅极驱动电压的选取54栅极驱动电阻的选取55栅极输出峰值电流和驱动功率的计算56高压模块驱动电路中的DC/DC变换器57驱动电路的栅极隔离方式58栅极电压钳位技术59外接栅极发射极电阻和电容510高压模块驱动的有源钳位技术511高压模块驱动的反馈技术512高压模块分段开通与关断技术513高压模块驱动的软关断技术514电压保护电路515短脉冲抑制电路516死区时间5161死区效应5162死区时间的计算方法517驱动电路的布局与栅极布线518栅极电压的测试方法519集成高压模块驱动器介绍参考文献第章高压模块的保护61高压模块的过电压保护611高压模块关断浪涌电压产生的原因612常用直流侧电压检测电路613吸收电路614降低主回路杂散电感量615驱动电路采用有源钳位抑制浪涌电压尖峰62高压模块的短路保护621短路与过载622高压模块的种短路模式623高压模块短路能力的评价标准624短路故障的检测方法625影响短路电流大小的因素626降低高压模块短路时栅极电压峰值的方法63高压模块的过温保护631高压模块的功耗计算632结温的计算633高压模块的冷却方式64高压模块并联应用时的均流保护641影响高压模块稳态电流均衡的因素642影响高压模块动态电流均衡的因素65高压模块串联应用时的均压保护66高压模块安装时的注意事项661安装方法662导热硅脂的涂抹方法663散热器的表面粗糙度和平面度67高压模块运输与取用时的注意事项68高压模块保存时的注意事项参考文献第章高压模块的失效原因与失效模式71高压模块失效分析概述72高压模块失效与否的判定方法721用万用表简单检查高压IGBT模块是否损坏722通过参数测量准确判定高压模块是否失效73高压模块的失效原因分析731超出导致的单元失效原因732超出导致的单元失效原因733栅极过电压导致的高压IGBT模块失效原因734结温过高导致的单元失效原因735FWD单元失效原因74高压模块的失效模式741高压模块的过电压损坏模式742高压模块的过电压损坏模式743高压模块的过电流损坏模式744高压模块的过热损坏模式745功率循环失效模式746热循环失效模式747RBSOA失效模式748SCSOA失效模式749RRSOA失效模式参考文献第章高压模块在轨道牵引中的应用81轨道牵引中的电力电子技术概述82轨道牵引中的变流器主电路拓扑821电力机车和动车组车辆用牵引变流器的主电路拓扑822电力机车和动车组车辆用辅助变流器的主电路拓扑823城市轨道交通车辆用牵引逆变器的主电路拓扑824城市轨道交通车辆用辅助逆变器的主电路拓扑825牵引变流器的构成部件83高压模块在轨道牵引中的应用831轨道牵引变流器中高压模块电压电流等级的选型832对高压模块短路耐量及的要求833对高压模块关断能力的要求834对高压模块的寿命

作者介绍

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文摘

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序言

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《高压IGBT模块应用技术》 简介 在现代电力电子技术飞速发展的浪潮中，高压绝缘栅双极型晶体管（IGBT）模块凭借其优异的功率处理能力、高效率和易于驱动等特性，已成为大功率电力变换设备不可或缺的核心器件。从工业驱动到新能源发电，从交通运输到智能电网，高压IGBT模块的应用正以前所未有的广度和深度渗透到国民经济的各个领域。本书旨在系统、深入地探讨高压IGBT模块的各项应用技术，为工程师、技术人员和相关领域的研究者提供一本全面、实用的技术参考。 本书内容概述： 本书的编写宗旨是理论与实践相结合，深入浅出地剖析高压IGBT模块在各种应用场景下的工作原理、设计要点、性能优化及可靠性保障。全书共分为以下几个主要部分： 第一部分：高压IGBT模块基础理论与特性解析 IGBT器件原理回顾与发展： 本部分将从IGBT的基本结构出发，详细阐述其P-I-N二极管和MOSFET的混合工作机制。我们将深入探讨其电压控制电流的特性，以及与传统功率器件（如GTO、MOSFET）在开关速度、导通压降、关断能力等方面的比较优势。同时，还将简要回顾IGBT技术的发展历程，特别是高压IGBT模块在材料、结构和制造工艺上的重要演进，为理解其高性能奠定基础。 高压IGBT模块关键电气特性分析： 针对高压应用场景，本部分将重点解析高压IGBT模块的关键电气参数。这包括其额定电压（VCES）、额定电流（IC）、最大集电极-发射极通态压降（VCE(sat)）、开关损耗（Eon, Eoff）、热阻（Rthjc, Rthcs）以及短路耐受能力（SCS）等。我们将通过详实的图表和数据，解释这些参数对实际应用的影响，并提供选择合适IGBT模块的基本指南。 高压IGBT模块的结构与封装技术： 高压IGBT模块的性能和可靠性与其内部结构和外部封装密切相关。本部分将详细介绍高压IGBT模块的主流芯片结构，如PT（Punch-Through）和NPT（Non-Punch-Through）结构，并分析它们在耐压、导通压降和可靠性上的差异。同时，还将深入探讨用于高压模块的封装技术，包括陶瓷基板、铜基板、功率端子设计、灌封材料等，阐述这些技术如何保证模块在高电压、大电流和复杂工作环境下的稳定运行。 IGBT模块的损耗机制与散热设计： 功率损耗是IGBT模块效率的直接体现，也是影响其可靠性的重要因素。本部分将系统分析IGBT模块在导通、关断和截止状态下的损耗来源，包括导通损耗、开关损耗（容性损耗、感性损耗）以及漏电流损耗。在此基础上，将重点阐述高效的散热设计方法，包括散热器的选择与优化、风冷与水冷的原理与应用、热界面的设计与热阻的计算，确保IGBT模块在额定条件下工作，避免过热损坏。 第二部分：高压IGBT模块驱动与保护技术 IGBT模块的驱动电路设计： IGBT模块的驱动是确保其正常、高效工作的关键。本部分将详细介绍各种类型的IGBT驱动电路，包括单电源驱动、双电源驱动、脉冲变压器隔离驱动以及光耦隔离驱动等。我们将深入分析各种驱动方式的优缺点，并针对高压、大电流应用场景，重点讲解驱动电路的设计要点，包括驱动电压、驱动电流、上升/下降沿控制、死区时间设置以及寄生参数的影响。 栅极驱动信号的优化与抗干扰： 驱动信号的质量直接影响IGBT的开关性能和寿命。本部分将探讨如何优化栅极驱动信号，以减小开关损耗、提高开关速度并抑制振荡。我们将分析寄生电感、电容对驱动信号的影响，并提出相应的优化措施，如优化PCB布局、使用合适的驱动电阻、减小驱动回路面积等。同时，还将讨论如何通过有效的抗干扰设计，提高驱动电路的鲁棒性。 IGBT模块的过电压保护： 在感性负载切换过程中，IGBT模块极易承受过电压冲击，从而导致器件损坏。本部分将深入研究IGBT模块的过电压产生机理，并详细介绍各种过电压保护技术。包括： 吸收电路设计： RC吸收电路、RLC吸收电路、RCD吸收电路的设计原理、参数选择及优化方法，分析其在不同应用场景下的适用性。 续流二极管的选择与应用： 针对IGBT模块的反并联二极管（FWD）的选型原则，包括耐压、电流、恢复时间、损耗等参数，以及其在不同拓扑中的作用。 钳位保护： 瞬态电压抑制器（TVS）、齐纳二极管等钳位器件的应用。 IGBT模块的过电流与短路保护： 短路是IGBT模块最危险的工作状态之一，可能导致器件瞬间烧毁。本部分将详细分析IGBT模块的短路电流特性，并系统介绍各种短路保护策略。 快速电流检测技术： 包括电流互感器、霍尔电流传感器、直流母线电容电压检测等方法，分析其响应速度、精度和成本。 驱动电路关断与闭锁： 基于电流检测信号，设计快速可靠的驱动电路关断逻辑，实现IGBT的准时关断。 短路监测与故障诊断： 探讨如何设计完善的短路监测系统，并在短路发生时进行有效的故障诊断和保护。 IGBT模块的过温保护： 过高的温度是导致IGBT器件失效的重要原因。本部分将重点介绍过温保护的实现方式。 温度检测方法： 探讨NTC热敏电阻、PTC热敏电阻、集成温度传感器等在IGBT模块温度监测中的应用。 热敏电阻与驱动电路的集成： 如何将温度传感器信号与驱动电路联动，实现温度超限时的降额运行或紧急关断。 热管理系统设计： 结合散热设计，强调对整个热管理系统的协同优化。 第三部分：高压IGBT模块在典型应用中的设计与优化 高压逆变器与变频器设计： 高压逆变器和变频器是IGBT模块最广泛的应用领域之一。本部分将深入探讨其在不同拓扑结构下的设计要点： 三相桥式逆变器： 分析其工作原理、PWM调制策略（SPWM, SVPWM等）、载波频率选择、共模电压抑制等。 多电平逆变器： 介绍NPC（Neutral Point Clamped）、FC（Flying Capacitor）、Cascaded H-bridge等拓扑结构，分析其在提高输出电压质量、降低器件电压应力方面的优势，以及相应的驱动和控制策略。 变频器性能优化： 讨论如何通过优化IGBT模块选型、驱动设计、控制算法，来提高变频器的效率、降低谐波、改善动态响应。 高压DC-DC变换器设计： 在电力电子系统中，高压DC-DC变换器扮演着关键的能量转换角色。本部分将重点分析： 硬开关DC-DC变换器： 如Boost、Buck-Boost、SEPIC等拓扑，分析IGBT在高压下的损耗特性和设计挑战。 软开关DC-DC变换器： 介绍ZVS（零电压开关）和ZCS（零电流开关）技术，分析其如何减小开关损耗、提高效率，以及相应的电路设计与控制。 多相DC-DC变换器： 探讨多相并联技术在提高功率密度和冗余度方面的应用。 高压直流输电（HVDC）系统中的应用： HVDC技术在远距离、大容量输电方面具有显著优势，IGBT在其中发挥着核心作用。本部分将重点介绍： 电压源换流器（VSC-HVDC）： 阐述IGBT模块在VSC-HVDC中的拓扑结构、调制方式、控制策略，以及其在电网稳定性、无功功率补偿等方面的作用。 IGBT模块在HVDC阀组中的设计考量： 包括器件的串并联设计、均压与均流技术、驱动与保护的可靠性要求。 新能源发电系统中的应用（风电、光伏）： 随着清洁能源的普及，IGBT模块在风力发电机和光伏逆变器中的应用日益广泛。 风力发电机变流器： 分析双馈感应发电机和永磁同步发电机的变流器拓扑，IGBT模块在全功率转换器和背靠背式变流器中的应用。 光伏逆变器： 介绍并网光伏逆变器、离网光伏逆变器等类型，IGBT模块在DC-AC功率转换中的关键作用，以及MPPT（最大功率点跟踪）与电网同步的要求。 轨道交通牵引系统设计： IGBT模块是现代轨道交通车辆（如电动火车、地铁）牵引系统的心脏。 牵引变流器拓扑与控制： 分析PWM变流器、多电平变流器在不同制式下的应用，以及IGBT模块在实现调速、制动能量回馈等功能中的作用。 高可靠性设计要求： 强调轨道交通环境的严苛性，IGBT模块在耐振动、耐温变化、电磁兼容性（EMC）等方面的特殊设计需求。 电弧焊机与感应加热设备： 在工业焊接和加热领域，IGBT模块以其高功率密度和高效率，取代了传统的电子管和晶闸管。 高频开关电源设计： 介绍IGBT在逆变焊机、感应加热器中的拓扑结构，如硬开关与软开关逆变器，以及其在提高焊接质量、提升加热效率方面的优势。 动态响应与功率控制： 探讨如何通过精确控制IGBT的开关，实现焊接电流的精确调节和感应加热功率的快速响应。 第四部分：高压IGBT模块的可靠性与寿命预测 IGBT模块失效模式分析： 本部分将系统梳理IGBT模块在实际应用中可能出现的各种失效模式，包括电应力失效（过压、过流）、热应力失效（过温、热循环）、机械应力失效（振动、冲击）、电化学腐蚀、封装材料老化等。 可靠性设计原则与方法： 针对各种失效模式，提出相应的可靠性设计原则和方法。这包括： 器件选型与降额使用： 如何根据应用场景和工作条件，选择合适的IGBT模块，并进行合理的降额设计，延长其使用寿命。 PCB布局与布线优化： 讲解如何通过合理的PCB布局，减小寄生参数，抑制电磁干扰，降低应力集中。 散热系统优化： 再次强调良好的散热设计对提高模块可靠性的至关重要性。 环境适应性设计： 讨论如何提高IGBT模块在高温、高湿、振动、腐蚀等恶劣环境下的可靠性。 IGBT模块的寿命预测与评估： 本部分将介绍常用的IGBT模块寿命预测模型和评估方法。 热循环寿命预测： 基于Miner法则等疲劳损伤累积模型，预测IGBT模块在温度循环应力下的寿命。 电应力与热应力联合影响评估： 讨论如何综合考虑电压、电流、温度等多种应力因素，对IGBT模块的寿命进行更准确的预测。 测试与验证方法： 介绍加速寿命试验、高温高湿试验、功率循环试验等常用的可靠性测试方法，以验证设计和预测结果。 第五部分：发展趋势与前沿技术 SiC（碳化硅）功率器件的崛起： 碳化硅作为新一代宽禁带半导体材料，在耐高压、高频、高温方面具有显著优势，正逐步取代硅基IGBT。本部分将介绍SiC-MOSFET、SiC-JFET等器件的特性，以及其在高压大功率电力电子系统中的应用前景。 IGBT与SiC器件的混合集成： 探讨未来可能出现的IGBT与SiC器件混合集成技术，以兼顾成本与性能。 智能化与集成化功率模块： 随着物联网和工业4.0的发展，功率模块正朝着智能化、集成化方向发展。介绍集成驱动、保护、通信功能的智能功率模块（IPM）的最新进展。 下一代电力电子技术展望： 对未来高压IGBT模块乃至整个电力电子技术的发展进行展望，包括新材料、新结构、新拓扑的应用，以及其在能源互联网、电动汽车、智能电网等领域的深远影响。 本书特色： 内容全面深入： 涵盖了高压IGBT模块从基础理论到实际应用的各个环节，力求为读者提供一个完整的知识体系。 理论联系实际： 结合大量的工程实例和应用场景，将枯燥的理论知识转化为解决实际问题的有力工具。 图文并茂： 大量采用原理图、波形图、实物图、数据图表，帮助读者更直观地理解复杂的技术概念。 实用性强： 针对工程师在实际工作中可能遇到的问题，提供详细的分析方法和解决方案。 前瞻性： 关注行业最新技术动态和发展趋势，为读者提供未来发展方向的参考。 适用读者： 从事电力电子设备研发、设计、制造的工程师。 从事电力系统、新能源、轨道交通、工业自动化等领域的技术人员。 高等院校电力电子、自动控制、电气工程等专业的研究生和高年级本科生。 对高压IGBT模块应用技术感兴趣的专业人士。 《高压IGBT模块应用技术》是一本力求做到详尽、实用、具有指导意义的著作，旨在帮助广大读者更好地理解和掌握高压IGBT模块这一关键功率器件，从而推动电力电子技术的进步和应用。

评分☆☆☆☆☆

这本书的排版和图表质量堪称业界典范。在技术书籍中，图表是信息的第二语言，而这本书在这方面做得尤为出色。所有的电路图、波形图以及实验数据图表，线条清晰锐利，标注详尽无遗，几乎不需要二次放大或对照文字就能完全理解其意图。我尤其欣赏它在介绍复杂保护电路时的系统性图解，每一个元器件的作用、信号的流向都用不同的颜色或箭头进行了区分，使得故障诊断流程一目了然。很多教科书中的图例模糊不清，让人倍感挫败，但这里每一个图例都像是一个精心制作的教学模型，直观地展示了系统的工作状态。这种对视觉信息的重视，极大地提升了学习效率，让人在快速翻阅时也能捕捉到关键的技术细节。

评分☆☆☆☆☆

初读目录时，我立刻被它清晰的逻辑框架所折服。章节的划分并非简单的技术堆砌，而是遵循了一个从基础理论到复杂系统集成的完整学习路径。例如，它似乎并没有将精力过多地放在对IGBT物理特性的冗长阐述上，而是迅速切入到了实际应用中的关键环节，比如热管理、驱动电路的优化设计，以及最新的并联技术探讨。这种务实的结构安排，极大地节省了读者的时间，让我们能快速地定位到自己最关心的实用知识点。我注意到其中有专门的章节似乎深入剖析了在高频开关场合下，如何精确控制开关损耗，这在当前追求更高效率的工业控制领域是至关重要的议题。此外，从章节标题的用词来看，书中对不同负载类型——从电机驱动到逆变器设计——的适应性分析，似乎也做了详尽的对比，显示出作者对实际工程挑战有着深刻的理解和丰富的实践经验。

评分☆☆☆☆☆

整本书的文字风格，用一个词来形容就是“精准而不失温度”。它没有采取那种高高在上的学术腔调，而是像一位经验丰富的导师在耐心讲解复杂的概念。尤其在描述那些晦涩难懂的半导体特性曲线和等效电路模型时，作者似乎总能找到一个恰到好处的比喻或实例，将抽象的物理过程具象化。我特别留意了其中关于“软开关技术”的应用案例部分，文字描述非常到位，不仅清晰地勾勒出了传统硬开关带来的挑战，更是在后续的章节中，系统地展示了如何通过巧妙的电路拓扑设计来规避这些问题。这种教学方式，让初学者能建立起扎实的直观认识，而对于资深工程师而言，也能从中获得对现有设计瓶颈的全新启发。这种平衡的叙事艺术，让阅读过程既保持了专业信息的密度，又不至于让人感到枯燥乏味。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计真是让人眼前一亮，色彩搭配得非常专业，那种深邃的蓝色和亮眼的橙色交织在一起，仿佛就能感受到电流在电路板上穿梭的视觉冲击力。装帧质量也相当不错，纸张的厚度和触感都透露出一种扎实的工业美感，让人忍不住想立刻翻开它，去探寻其中隐藏的奥秘。我尤其欣赏它在细节上的处理，比如书名和作者信息的排版，简洁而有力，没有丝毫多余的装饰，完全聚焦于技术本身。这样的设计语言，对于目标读者群体——那些在电力电子领域深耕的技术人员和工程师来说，无疑具有极强的吸引力。它传递出的信号很明确：这是一本内容严谨、直指核心的专业著作，而不是那种花里胡哨的科普读物。光是捧着它，就能感受到一股沉甸甸的专业气息扑面而来，让人对接下来的阅读充满了期待，希望能从中汲取到最新、最前沿的应用智慧。

评分☆☆☆☆☆

读完一部分后，我感到这本书最大的价值在于它对“工程经验的提炼和固化”上。它似乎不仅罗列了标准化的设计流程，更在关键节点穿插了作者基于多年项目实践中总结出的“陷阱”和“捷径”。比如，在探讨大功率模块的散热路径优化时，书中可能没有简单地建议使用导热硅脂，而是深入分析了不同界面材料在长期高低温循环下的性能衰减规律，并给出了一套量化的评估标准。这种深入到材料科学和长期可靠性层面的讨论，远远超越了一般的应用手册范畴。它提供给读者的，不是“怎么做”，而是“为什么这么做，以及如果不这样做可能带来什么后果”，这对于培养工程师的系统思维和风险规避能力，是极其宝贵的财富。这本书读完后，感觉手里握着的不再仅仅是一本技术书，而是一份沉淀了无数次失败与成功的项目经验总结。