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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

1.3 IGBT模块概述3

1.4 IGBT模块的关键技术5

1.5 IGBT模块的主要应用领域8

1.6 IGBT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

2.1 IGBT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

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

2.9 SiC芯片技术23

2.10 RC（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

4.3.5 FWD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

7.3.5 FWD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VCE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

7.4.7 RBSOA失效模式200

7.4.8 SCSOA失效模式201

7.4.9 RRSOA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

10.1 VSC-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