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? 本书是第2版，增加了许多新内容，包括新的IGBT器件概念，例如逆导IGBT和细网格状IGBT，器件制造，以及新的参考文献；扩展了封装和栅极驱动器内容；增加了关于储能的新章节；更新了可再生能源和电动汽车方面的内容等等。本书第1版就广受好评，并获得了享有盛誉的PROSE奖，成为2015年出版的工程与技术领域的最佳书籍。本书作者是IGBT之父、美国国家工程院院士，本书具有如下特色：为在消费、工业、照明、运输、医疗和可再生能源领域使用IGBT的应用工程师，提供了关键的设计信息；介绍了IGBT芯片的设计方法，包括边缘终端、单元拓扑、栅极布局和集成电流传感器；涵盖了IGBT的应用，该器件目前由全球十几家公司生产，销售额超过50亿美元；是着重阐述 IGBT 在推动电动汽车和可再生能源系统发展中关键作用的著作，而这些技术对全球气候变化具有重要影响。
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本书详细介绍了绝缘栅双极型晶体管（IGBT）的结构和工作原理、单元结构的设计；整个芯片架构，包括有源区、栅极焊盘和边缘终端；保护电路；用于控制所述器件的栅极驱动电路；电路仿真模型。经过作者的构思和商业化，在过去的40年里，IGBT已成为大部分经济部门电源管理的重要器件。本书提供了各个经济部门中用于每个IGBT应用的电路拓扑，以及IGBT器件结构的优化以最大限度地提高其性能。IGBT在节约能源、节约成本和减少二氧化碳排放方面对全球数十亿人产生的巨大社会影响也得到了量化。本书提供了900多个参考文献，供读者更深入地探索这些主题，其中包括自本书第1版以来出版的许多出版物。本书内容深入浅出，适合电力电子、微电子、功率器件、功率IC设计与制造领域的研究人员、技术人员阅读，也可作为高等院校相关专业高年级本科生和研究生的参考书。
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| 關於作者： |
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B.Jayant Baliga博士，北卡罗来纳州立大学“杰出大学教授”，美国国家工程院院士，IEEE会士。Baliga教授是国际公认的功率半导体器件领域的专家，发表了700多篇学术文章，拥有122项美国专利。他在IGBT概念、开发和商业化方面的工作得到了美国奥巴马总统的认可，获得了2011年美国国家技术与创新奖章——美国政府授予工程师的最高荣誉，以及2014年IEEE荣誉勋章——电气工程领域的最高荣誉。
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目录序第2版前言第1版前言作者简介第1章 引言11.1IGBT应用范围21.2IGBT器件的基本结构31.3IGBT的发展和商业化历史31.4额定功率的比例调整91.5小结12参考文献12第2章 IGBT结构和工作模式162.1对称D-MOS结构162.2非对称D-MOS结构182.3沟槽栅IGBT结构192.4透明发射极IGBT结构192.5新型IGBT结构202.6横向IGBT结构222.7互补IGBT结构232.8先进的IGBT结构242.9小结25参考文献25第3章 IGBT结构设计273.1阈值电压273.2对称IGBT结构293.2.1阻断电压293.2.2通态特性313.2.3存储的电荷353.2.4关断开关波形363.2.5关断功率损耗393.2.6功率损耗权衡曲线403.3非对称IGBT结构413.3.1阻断电压413.3.2通态特性433.3.3存储的电荷503.3.4关断开关波形523.3.5关断功率损耗563.3.6功率损耗权衡曲线583.4透明发射极IGBT结构613.4.1阻断电压623.4.2通态特性623.4.3存储的电荷673.4.4关断开关波形693.4.5关断功率损耗713.4.6功率损耗权衡曲线723.5SiC IGBT结构753.5.1N沟道非对称SiC IGBT结构763.5.2阻断特性773.5.3通态压降793.5.4关断特性833.5.5每个周期的开关能量损耗853.6优化非对称SiC IGBT结构853.6.1优化结构设计853.6.2通态压降863.6.3关断特性883.6.4功率损耗权衡曲线903.6.5最大工作频率903.7小结92参考文献92第4章 安全工作区设计954.1寄生晶闸管954.2抑制寄生晶闸管964.2.1深P+扩散974.2.2减小栅氧化层厚度984.2.3分流结构1004.2.4单元拓扑1014.2.5防闩锁结构1054.3安全工作区(SOA)1064.3.1正向偏置SOA1074.3.2反向偏置SOA1094.3.3短路SOA1104.4新型硅器件结构1114.5SiC器件1124.6小结113参考文献113第5章 芯片设计、保护和制造1155.1有源区1155.2栅极焊盘设计1175.3边缘终端设计1195.4集成传感器1205.4.1过电流保护1215.4.2过电压保护1235.4.3过温保护1255.5平面栅器件制造工艺1265.6沟槽栅器件制造工艺1285.7寿命控制1315.8小结133参考文献133第6章 封装和模块设计1356.1分立器件封装1356.2改进的分立器件封装1376.3基本功率模块1386.4扁平封装功率模块1406.5无金属基板的功率模块1426.6智能功率模块1446.6.1双列直插式封装1446.6.2智能功率模块介绍1466.7可靠性1476.8小结148参考文献148第7章 栅极驱动电路设计1507.1基本栅极驱动1507.2非对称栅极驱动1517.3两级栅极驱动1527.4有源栅极电压控制1527.5可变栅极电阻驱动1547.6数字栅极驱动1567.7短路保护1577.8磁耦合栅极驱动1587.9Posicast栅极驱动1587.10降低EMI栅极驱动1597.11BaSIC拓扑1607.12小结162参考文献162第8章 IGBT电路模型1658.1基于物理的电路模型1658.1.1SABER NPT-IGBT电路模型1658.1.2SABER PT-IGBT电路模型1698.1.3SABER IGBT电热电路模型1718.1.4SABER IGBT1模型1728.2IGBT模拟行为模型1738.3模型参数提取1768.4小结176参考文献176第9章 IGBT应用：运输业1789.1汽油动力车辆1789.1.1凯特林机械点火系统1789.1.2电子点火系统1799.1.3点火IGBT设计1819.1.4双电压钳位点火IGBT设计1829.1.5智能点火IGBT设计1839.1.6点火IGBT产品1849.2辅助汽车驱动器1859.3电动和混合动力电动汽车1859.3.1电动汽车逆变器设计1869.3.2电动汽车IGBT芯片设计1899.3.3电动汽车再生制动1909.4电动汽车充电站1919.4.1电动汽车充电要求1919.4.2电动汽车充电电路1939.4.3现代电动汽车充电站1939.5电动公共汽车1959.5.1电动公共汽车控制电路1959.5.2电动公共汽车充电1969.5.3感应式电动公共汽车充电1989.6有轨电车和无轨电车1989.7地铁和机场列车2019.8电力机车2039.8.1直流电源母线2039.8.2交流电源母线2039.8.3多系统电动列车2049.9柴油电力机车2059.10高速电动列车2069.10.1电动机驱动拓扑2079.10.2IGBT模块设计2089.11货运列车2109.12船舶推进2109.12.1滚装船2129.12.2游轮2129.12.3液化天然气运输船2139.12.4船舶电路断路器2139.13全电商用飞机2159.13.1DC-DC变换器2159.13.2DC-AC逆变器2169.13.3机电式飞机方向舵执行器2179.13.4无刷直流电动机驱动2179.14全电通勤飞机2189.14.1民用倾转旋翼机2189.14.2有源中点钳位逆变器驱动2189.14.3客运无人机2199.15用于飞机的IGBT模块2209.16IGBT宇宙射线故障2209.17小结220参考文献221第10章 IGBT应用：工业22710.1工业电动机驱动22710.2用于电动机控制的可调速驱动22810.3脉宽调制可调速驱动23010.3.1PWM波形23110.3.2功率损耗权衡曲线23110.3.3功率损耗分析23410.4工厂自动化23610.4.1互补的IGBT23710.4.2P沟道IGBT设计23710.5机器人23910.5.1无线缆电源23910.5.2工业机器人控制器24010.5.3线性执行器24110.5.4移动式龙门起重机机器人24210.6焊接24310.6.1降压变换器24410.6.2变压器耦合电源24410.6.3双市电电源24410.6.4机器人电弧焊接24510.6.5消耗性电极焊接24510.6.6焊接用IGBT的优化24610.7感应加热24710.7.1锻造、退火和管材焊接24710.7.2流体加热24810.7.3金属熔炉24810.7.4用于感应加热的IGBT设计24910.8铣床和钻床25010.8.1高速铣床25110.8.2高速钻床25110.8.3高速电火花加工25210.9钢铁厂和造纸厂25310.9.1金属工业25410.9.2纸浆和造纸工业25510.10静电除尘器25610.11纺织厂25710.12采矿和挖掘25810.13工业应用的IGBT优化25910.14低功率IPM26110.15死区补偿26110.16混合Si IGBT/SiC MOSFET开关26210.17小结262参考文献263第11章 IGBT应用：照明26711.1三位一体白炽灯26811.2紧凑型荧光灯(CFL)27011.2.1CFL发光27111.2.2半桥镇流器拓扑27111.2.3功率晶体管比较27311.2.4自谐振镇流器拓扑27411.2.5功率因数校正27511.2.6用于CFL的分立IGBT设计27511.2.7用于CFL的集成IGBT设计27611.3发光二极管(LED)27711.3.1LED驱动器27811.3.2常规LED驱动器27911.3.3多个串联/并联 LED 驱动器28011.3.4传导EMI28011.4频闪闪光灯28111.4.1频闪电路28211.4.2用于频闪灯的IGBT设计28211.4.3专业闪光灯28311.5氙气短弧灯28411.5.1汽车前照灯28411.5.2电影院放映机28511.6频闪成像28611.7可调光灯具28611.8快速热退火28611.9基于LED的内窥镜28711.10小结288参考文献288第12章 IGBT应用：消费类29112.1大型电器29212.1.1空调（热泵）29312.1.2电冰箱29412.1.3洗衣机29712.1.4微波炉30012.1.5电磁炉灶具30412.1.6洗碗机30812.2小家电31012.2.1便携式电磁炉和电饭煲31012.2.2食品料理机（搅拌机、榨汁机、混合器）31112.2.3真空吸尘器31312.3电视机31512.3.1CRT电视机31512.3.2等离子电视机31712.3.3预调节器电路31912.4面向消费类应用的IGBT设计优化32012.4.1电动机驱动的IGBT优化32012.4.2用于电磁炉的IGBT优化32212.4.3用于电视机的IGBT优化32312.4.4用于功率因数校正的IGBT优化32512.5小结326参考文献327第13章 IGBT应用：医疗33113.1X射线机33213.1.1串并联谐振电源33313.1.2双模电源33413.2计算机断层扫描33513.2.1PWM谐振变换器电源33613.2.2旋转龙门架谐振逆变器电源33713.2.3固定龙门谐振逆变器电源33813.3磁共振成像33913.3.1双并联四象限直流斩波功率放大器34013.3.2四并联全桥功率放大器34013.3.3堆叠式三桥功率放大器34213.3.4多输出移相功率放大器34313.3.5串联电压补偿电源34513.3.6超级电容器储能电源34613.4医学超声检查34713.4.1超声检查原理34713.4.2脉冲电源34813.5除颤器35013.5.1AED35213.5.2AED中的能量产生和脉冲形成35313.5.3植入式心律转复除颤器35313.5.4外科用心脏转复除颤器35413.6医用同步加速器35413.6.1CNAO磁线圈电源35613.6.2群马磁线圈电源35713.7医用激光35813.7.1脉冲压缩网络电源35913.7.2电容器放电电源36013.7.3串/并联变压器电源36013.8灭菌和消毒36113.9医疗应用的IGBT设计36213.10小结363参考文献363第14章 IGBT应用：国防36714.1电力电子构建模块(PEBB)36814.1.1PEBB-1、PEBB-2和PEBB-337014.1.2海军变频器37014.1.3并联有源电力滤波器37114.1.4三电平ANPC-VSC PEBB37114.1.5用于多电飞机的PEBB37114.2电动战舰37214.2.1推进驱动选项37314.2.2海军舰载配电37514.2.3固态转换开关37514.2.4固态断路器37614.2.5直接转换系统37814.2.6混合ANPC H桥系统37814.3航空母舰37914.3.1轨道炮炮弹发射器37914.3.2飞机发射器38114.4核潜艇和柴电潜艇38114.4.1静音电驱动38114.4.2IGBT能量循环38214.5军用车辆38314.5.1双向DC-DC变换器38414.6空军喷气式飞机38614.6.1配电架构38714.6.2便携式轨道炮38714.7导弹防御38914.7.1雷达发射机39014.7.2速调管雷达电源39014.7.3多普勒雷达脉冲电源39114.7.4敏捷镜面雷达39214.7.5战区导弹防御用地面雷达39314.8国防应用IGBT39414.8.1脉冲功率容量39414.8.2可靠性39414.9小结396参考文献397第15章 IGBT应用：可再生能源40015.1水力发电40115.1.1大型发电厂40215.1.2小型发电厂40315.1.3电压和频率解耦控制器40315.1.4辅助发电机组40415.2光伏发电40415.2.1光伏逆变器拓扑40615.2.2HERIC光伏逆变器40715.2.3三相光伏逆变器40815.2.4非隔离交互式光伏逆变器40815.2.5非隔离降压-升压光伏逆变器40915.2.6光伏逆变器最大功率点跟踪电路40915.2.7电流源光伏逆变器41015.2.8三相电流源光伏逆变器41015.2.9商用光伏变换器41115.2.10太阳能发电场NPC2拓扑41115.2.11家用太阳能双源多电平逆变器41215.2.12光伏储能41315.2.13光伏应用中的IGBT41415.3风力发电41515.3.1风力发电机配置41615.3.2基本变换器拓扑41715.3.3海上风力发电装置41815.3.4中国海上风电装置42115.3.5欧洲海上风电装置42115.3.6独立风电装置42115.3.7用于无功功率补偿的STATCOM42215.3.8用于风力发电的IGBT42215.4波浪发电42515.4.1OSPREY波浪发电42615.4.2波浪龙发电42715.4.3Bolt浮筒发电42815.4.4最佳阻尼策略42915.4.5振荡水柱42915.5潮汐能42915.6地热能43015.6.1发电系统架构43115.7小结431第16章 IGBT应用：电力传输43916.1高压直流（HVDC）输电43916.2HVDC组件44116.3HVDC趋势44116.3.1格拉茨桥44216.3.2基于CSC的HVDC44316.3.3STATCOM44416.3.4自供电IGBT开关44416.3.5冰球压接IGBT设计44516.3.6VSC-HVDC的IGBT额定值44516.4交流输电44616.4.1柔性交流输电系统（FACTS）44716.4.2SVC44716.4.3STATCOM44816.4.4轻型SVC44816.4.5SVC和STATCOM在中国44916.4.6城市STATCOM设计44916.4.7STATCOM稳定性分析45016.5HVDC背靠背变换器45016.6海上输电45016.6.1石油钻井平台电力传输45016.6.2风电场输电45116.7优质电力园区45216.8用于电力传输的IGBT设计45316.9小结454参考文献455第17章 IGBT应用：金融45717.1电能质量设备45717.2电力可靠性和质量45817.3动态电压恢复器45917.4不间断电源(UPS)46017.4.1富士电机公司的200kVA UPS46017.4.2藤仓公司的10kVA UPS46217.4.3东芝公司的500kVA UPS46317.4.4汤浅公司的3kVA UPS46417.4.5大金公司的UPS46617.4.6单级UPS拓扑46617.4.7无变压器300kVA UPS46717.4.8带静态转换开关的UPS46917.4.9三相四线制混合频率并联UPS47017.5优质电力园区47017.6UPS的IGBT设计47117.7IGBT UPS故障模式47217.8小结472参考文献473第18章 IGBT应用：储能47518.1抽水蓄能47618.1.1变速抽水蓄能电站47718.1.2电压骤降补偿47718.1.3稳定风能和太阳能可再生能源47818.2其他储能技术47818.2.1利用超级电容器储能缓解风电故障穿越47918.2.2通过电池储能缓解太阳能电压波动47918.2.3电池储能系统47918.2.4模糊逻辑控制的STATCOM48018.3数据中心储能48018.3.1储能选项48018.3.2分布式储能48118.3.3直流电压分配48218.4小结482参考文献482第19章 IGBT应用：其他48419.1智能家居48419.1.1智能插座和智能开关48519.1.2智能电源模块48519.2打印机和复印机48619.3感应电能传输48819.3.1舞台照明48819.3.2嵌入式电动汽车充电器48919.4机场安检X射线扫描仪49019.5脉冲功率49219.5.1马克思高压脉冲发生器49219.5.2离子注入49219.5.3癌症治疗脉冲发生器49419.6粒子物理49419.6.1斯坦福直线加速器49519.6.2国际直线对撞机49519.6.3费米实验室主注入机49719.6.4日本强子对撞机49719.6.5欧洲核子研究中心的大型强子对撞机49819.6.6散裂中子源50019.7脉冲激光器50019.7.1电源50119.7.2IGBT模块50119.8食品灭菌50119.9水处理50419.9.1消毒50419.9.2海水淡化50519.9.3污水处理50719.9.4水管结垢50819.9.5工业和制药污染50819.10石油开采50819.10.1油管加热50919.10.2海底石油开采51019.10.3阿萨巴斯卡油砂51119.11石化厂51219.12气体液化51219.13超导磁存储51319.14聚变能51319.15备用发电机51519.16过山车51619.17美国国家航空航天局51819.17.1航天飞机主发动机推力控制51919.17.2航天飞机轨道机动系统52019.17.3航天飞机配电52019.17.4国际空间站配电52119.17.5载人星际任务52219.17.6低温电力电子52219.17.7IGBT故障分析52219.18小结523参考文献523第20章 IGBT的社会影响52920.1电子点火系统53020.1.1节省燃料53120.1.2消费者成本节约53220.1.3二氧化碳减排53420.2可调速电动机驱动53620.2.1电能节约53720.2.2电力成本节约53820.2.3二氧化碳减排53920.3紧凑型荧光灯54020.3.1电能节约54320.3.2电力成本节约54320.3.3二氧化碳减排54320.4未来的社会影响54520.5小结545参考文献547第21章 综述55021.1最先进的IGBT产品55021.2宽带隙半导体功率器件55221.2.1最先进的SiC功率MOSFET55321.2.2成本分析55521.3小结556参考文献557
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第2版前言The IGBT Device一书已经出版多年了。该书广受好评，并获得了享有盛誉的PROSE奖，成为2015年出版的工程与技术领域的最佳书籍。半导体技术因应用需求而迅速发展。这一原则当然适用于绝缘栅双极型晶体管（IGBT）器件的情况。这促使了这本书第2版的编写。再版的意图是将新出现的技术信息添加到原书中，使其跟上时代的步伐。修改关于该器件的社会影响的有关章节也很重要，因为在过去的几年里，这种影响已经大大增加了。在准备第2版之前，出版商邀请多位审稿人对修订方案提出建议。审稿人建议增加新的IGBT器件概念，例如逆导IGBT和细网格状IGBT，这些概念已经增加进去了。因此，本书增加了许多新的IGBT结构概念。审稿人还建议增加更多关于器件制造的信息。这在新版中已经包括了。关于封装和栅极驱动器的信息已经根据审阅人的建议进行了扩展。为使这本书与时俱进，在编写第2版时，每章都增加了许多新的参考文献。一位审稿人建议对书中描述的所有电源电路进行更深入的分析。由于本书篇幅有限，这一建议不切实际，也不合适，因为本书的重点是IGBT而不是电力电子。在过去的几年中，出现了重要的新技术趋势。首先是能源存储的作用越来越大，使各种应用更完美，如可再生能源发电和数据中心。因此，本书中增加了关于储能的新章节。另一个新趋势是可再生能源部署迅速加速。因此，关于可再生能源的第15章扩展了更新的信息。此外，用电动汽车取代汽油动力汽车已成为全球公认的减少温室气体排放的可行选择。IGBT在实现电动汽车方面的作用在第1版中已经进行了广泛讨论。这一信息已在本书中更新。更重要的是，这些发展的未来环境效益也已在社会影响一章中进行了讨论。过去几年最重要的变化之一是IGBT在许多经济领域的影响越来越大。1990—2015年见证了IGBT使能的技术从90年代初的小范围影响增长到2015年的巨大影响。这种巨大的影响在过去几年中持续存在，使已经显著的累积效应在规模上大大增加。消费者节省的成本从15万亿美元增加到33.7万亿美元，而二氧化碳的减排量从100万亿lb(1lb=0.4536kg)增加到180万亿lb。这种影响在未来将继续增长。经过30年对材料和器件开发的投资，基于碳化硅和砷化镓的功率器件终于在2015年实现了商业化。原则上，由于出色的通态和开关损耗，这些器件可以在各种应用中取代硅IGBT。然而，现在人们认识到，由于这项新技术的高成本以及最终用户对其可靠性缺乏信心，这种取代在短期内只会发生在利基领域。因此，硅IGBT在所有经济领域的强势地位在很长一段时间内都不太可能改变。这使得本书在可预见的未来对所有工程师、技术人员、经济学家和环保主义者都有价值。B.Jayant Baliga第1版前言1977年，我在通用电气（GE）公司工作时提交了一项专利申请，内容是包含基本绝缘栅双极型晶体管（IGBT）结构的垂直金属氧化物半导体（MOS）栅控晶闸管。在开发出用于制造该结构的V形槽工艺后，于1978年11月开始，并于1979年7月完成了该器件的制造。除了闩锁晶闸管的工作模式外，我的测试还清楚地显示了IGBT的工作模式。为了响应通用电气对热泵应用中可调速驱动器的改进电源开关的需求，我在1980年9月准备了一项专利，描述了我们现在认为理所当然的IGBT的所有特性。很明显，这种新器件将对通用电气在小家电、大家电、医疗、工厂自动化和照明业务部门的产品产生广泛影响。由于它对整个通用电气的影响，我的建议引起了董事长Jack Welch的注意，他支持其商业化。幸运的是，通过在现有的功率MOSFET生产设施中使用我的芯片和工艺设计制造器件，包括抑制寄生晶闸管的闩锁，能够在一年内交付600V、10A的IGBT。同时我开发了一种电子辐照寿命控制工艺，其具有独特的退火步骤，可以修复电子辐照对栅极氧化物造成的损伤。这使得可以生产针对各种开关频率和应用进行了优化的IGBT。这些IGBT的出现促使电力电子设计人员迅速将其应用于通用电气的各种产品中。通用电气最终在1983年宣布IGBT产品商业化。这引起了全世界对制造这种器件的兴趣，1985年后，其他公司也开始生产这种器件。 几年前，北卡罗来纳州立大学电气与计算机工程系的新任系主任建议我准备一份关于我的工作对IGBT的影响的报告，并发布在我们的网站上。我的努力成果是一份140页的文件，其中有300多篇参考文献，标题为《IGBT纲要：应用和社会影响》。在我发明IGBT器件后，通用电气立即认识到IGBT对公司大多数产品部门的影响。我亲自参与了IGBT的设计，这些IGBT适用于通用电气的Trane和Carrier空调（热泵）可调速驱动器，适用于通用电气早期研发的更高效的照明产品，以及各种小型和大型电器控制。然而，在30年的时间跨度后准备IGBT报告是一次发现之旅。很明显，IGBT现在已经渗透到经济的各个领域，并为全球数十亿人带来了舒适度、便利性和健康的生活。 提高电源管理和传输的效率是电力电子技术的本质。众所周知，功率半导体器件在实现这一结果方面起着主导作用。然而，效率提高对节能的影响尚未使用严格的方法进行量化。如果没有这个指标，就不可能评估这项技术对环境的影响。因为世界上2/3的电力用于使电动机转动，所以我决定量化基于IGBT的电动机调速驱动器所节省的电力。此外，由于世界上有1/5的电力用于照明，因此我决定量化紧凑型荧光灯（CFL）的影响，因为电子镇流器中使用了IGBT。受益于IGBT的第三个经济部门是运输部门。人们很快发现，20世纪80年代末，随着IGBT的出现，控制汽车和货车内燃机火花塞的电子点火系统提高了燃油效率。随着全球汽油的巨大消耗，量化这一创新的影响变得非常重要。仅通过IGBT的这三种应用，我就确定社会节省了超过10万TWh的电力消耗（相当于少建造11000座燃煤发电厂）和超过1.8万亿Usgal(1Usgal=3785.41m3)的汽油。这不仅为全球消费者节省了超过32万亿美元，而且从1990年到2020年减少了150多万亿英磅的二氧化碳排放量。 2012年，同事们鼓励我基于上述报告写一本关于IGBT的书。我的反应是写一本关于IGBT的综合书籍，首先包括器件工作、芯片设计、制造技术、封装和栅极驱动电路。然后对其在所有经济领域的应用进行广泛的讨论，详细介绍每种情况下使用的电路拓扑结构以及功率半导体行业为每种应用开发的优化的IGBT器件结构。我很高兴Elsevier的编辑们发现我的提案很有说服力。我的IGBT书籍提案的审稿人的反应也非常积极，他们建议我讨论一下我是如何在 20世纪80年代初发明、开发和成功商业化了IGBT。经过2年的努力，本书（第2版）编写完成并出版，为读者提供了关于IGBT的工作原理、设计及其社会影响的一站式资料。令人非常欣慰的是，该书荣获了2015年电子领域出版的最佳专业书籍和学术卓越奖。第1章提供了IGBT及其额定功率应用的高层次视角。它包括对器件概念及其商业化背后的历史的讨论。第2章描述了多年来发展起来的各种IGBT结构。1981年，我在通用电气开发的第一个IGBT是600V对称阻断型器件，随后不久又开发了600V非对称阻断型器件。在接下来的30年里，功率半导体制造商将注意力集中在电动机驱动应用的非对称结构上。最近，人们对用于电流源逆变器和矩阵变换器的对称阻断型IGBT产生了兴趣。第一代IGBT采用平面栅结构，但后来使用沟槽栅器件实现了通态压降和开关损耗之间的权衡曲线的显著改善。透明发射极IGBT 结构在调整IGBT的额定电压以使其可应用于牵引驱动方面发挥了重要作用。 第3章描述了IGBT结构的工作原理，以便使用分析模型进行设计。从阻断特性、通态压降和功耗权衡曲线的角度系统分析了对称、非对称和透明发射极结构。为了完整起见，这里包括碳化硅IGBT，尽管目前还没有商用器件可用。 从应用的角度来看，IGBT出色的坚固性和宽广的安全工作区一直是其主要特征之一。第4章提供了设计IGBT安全工作区的分析模型。它包括负责防止内部寄生晶闸管闩锁的器件单元创新，当我最初提出IGBT时，这被认为是一个阻碍因素。 第5章对IGBT芯片的有源区布局及其边缘终端进行了实际描述。这里描述了过电流、过电压和过热保护技术。此外，还描述了能够在不损坏栅极氧化层的情况下调整IGBT开关速度的寿命控制过程。 第6 章介绍了分立IGBT和模块封装IGBT的封装技术。功率模块设计范围从低功率到高功率水平。在第7章中，提供了各种栅极驱动电路，可以控制反激二极管的反向恢复和IGBT本身的开关损耗。第8章提供了用于功率电路中IGBT仿真的模型。 第9-19章评述了IGBT在各个经济领域的应用。这些章节展示了这一独特创新对社会的广泛影响。在每一章中都描述了电路拓扑，如硬开关与谐振开关，以及确保在这些电路中高效工作的IGBT说明。然后提供了器件制造商对IGBT结构的优化，以减少每种情况下的功率损耗。 第 9 章讨论了运输业。在个人消费者层面，IGBT对于汽油动力汽车的内燃机工作以及纯电动汽车和混合动力电动汽车的电动机驱动至关重要。IGBT对于公共交通系统也至关重要，如从电动公共汽车和有轨电车到世界各地的高速铁路网。随着IGBT功率级别的增长，它们甚至已经渗透到大型船舶的推进系统中，并使全电动飞机成为可能。 第10章中对工业领域的讨论包括电动机控制、工厂自动化系统、机器人、焊接、感应加热、铣削和钻孔、采矿、造纸、纺织和金属工厂的可调速驱动器。关于照明领域的第11章广泛介绍了用于这种高容量领域的各种电路。此外，还描述了IGBT在闪光灯中的使用，它被用于相机闪光灯和汽车及电影放映机中的氙弧灯供电。 第12章涉及消费者领域，其中IGBT已被用于各种各样的电器。在我们家里常用的大型电器中，有空调、电冰箱、洗衣机、微波炉、电磁炉和洗碗机。在小型电器中，如便携式电磁炉、电饭煲、搅拌机、果汁机和混合器是厨房必不可少的便利设备。此外，IGBT是老式阴极射线管电视机和现代等离子电视机的重要组成部分。在医疗领域，IGBT也极大地造福了社会，有助于改善医疗诊断和心脏骤停期间的急救情况。第13章介绍了IGBT在X射线机、CT扫描仪、MRI(核磁共振)扫描仪和超声机的电源中的应用，以产生用于医学诊断和治疗身体创伤的高质量图像。如果没有IGBT，自动体外（便携式）除颤器就不可能部署在低成本、轻量级、笔记本电脑大小的设备中。这个装置每年在美国挽救超过10万人的生命，在世界各地挽救的生命更多。 如第14章所述，IGBT最初在美国被国防部门勉强采用，但现在在所有武装部队部署的装备中发挥着重要作用。海军将其用于军舰、航空母舰和核潜艇的配电系统。陆军正在开发依赖IGBT作为逆变器的电动汽车，空军利用IGBT用更可靠、更轻便的电动执行器取代液压系统。 为了缓解由化石燃料（碳和天然气）驱动的发电厂造成的大气中碳含量增加所导致的全球变暖，需要增加部署太阳能和风能发电的能力。这些可再生能源都利用逆变器中的IGBT向输电网输送调节良好的交流电力。第15章不仅介绍了这些可再生能源的电力电子技术，还介绍了水力发电、波浪发电、潮汐发电和地热发电的电力电子技术。 第16章描述了IGBT在电力传输领域的渗透。在半导体供应商提高了IGBT模块的额定功率以处理兆瓦级功率水平之后，这种情况在最近发生。基于IGBT的静止无功补偿器和静止同步补偿器（STATCOM）已应用于交流输电网。使用 IGBT的轻型HVDC概念在新的输电部署中占据主导地位。 正如第17章所讨论的，IGBT甚至使经济中的金融部门受益。随着银行、信用卡和投资领域中基于计算机的高速交易的出现，任何电力中断都可能导致每小时数百万美元的损失。基于IGBT的不间断电源已成为保护数据中心免受电源中断、电压骤降、电压骤升和其他电能质量问题影响的重要设备。 增加储能能力越来越重要。由于可再生能源的间歇性，有必要对可再生能源的发电进行补充。确保可靠运行对于云计算和信息存储的成功至关重要，这是数百万用户对这些现代便利的期望。IGBT在储能部署中的作用在第18章中进行了描述。 第19章旨在涵盖先前章节未涉及的其他各类IGBT应用场景。这些应用包括智能家居；打印机和复印机；机场安检机；粒子加速器，包括用于发现希格斯玻色子的CERN大型强子对撞机；食品和水消毒；海水淡化；过山车；NASA航天飞机和国际空间站。 IGBT的社会影响在第20章中介绍。这里介绍了三个案例：可调速电动机驱动器、CFL镇流器和电子点火系统。IGBT支持的这三种应用极大地提高了效率。 我的目的是写一本关于IGBT的书，不仅全面描述其工作原理和设计，而且还提供其在所有经济领域的广泛应用，并量化其社会影响。这本书应该会引起所有功率半导体和电力电子工程师的兴趣。此外，那些关注技术对社会影响的社会科学家们也应该会对此感兴趣。 B.Jayant Baliga
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