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。為了做出這一結構，開發(fā)了一個V-grove工藝，并在1978年11月到1979年7月之間完成了器件的制造。除了閂鎖式的晶閘管工作模式之外，我的測試清楚地顯示了IGBT的工作模式。針對通用電氣公司需要有應用于熱泵的可調(diào)速開關，我在1980年9月準備了一個專利披露，描述了我們現(xiàn)在認為是理所當然的IGBT的所有特征。很快就顯而易見的是，這個新器件對公司小電器、大電器、醫(yī)療、工業(yè)自動化和照明事業(yè)部的所有產(chǎn)品都有廣泛的影響。由于這一影響橫跨了整個公司，我的提案引起了主席Jack Welch的注意，他支持了它的商業(yè)化。我很幸運能在一年之內(nèi)，完成了包括對寄生晶閘管閂鎖抑制的芯片與工藝設計，用現(xiàn)有的功率MOSFET產(chǎn)品生產(chǎn)線制造出了一個600V､10A的IGBT器件。我同時開發(fā)了一個用輻照控制電子壽命的工藝，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產(chǎn)品在開關頻率和應用方面得到了廣泛的優(yōu)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產(chǎn)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年后，這一器件的生產(chǎn)也導致了其他公司的產(chǎn)品問世，促進了世界范圍內(nèi)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，建議我準備一個關于我的IGBT工作影響力的報告，發(fā)布在我們的網(wǎng)站上。我努力的產(chǎn)出是一個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于器件的發(fā)明之后立即就認可了IGBT對公司大部分產(chǎn)品部門的影響。我親自參與了IGBT的設計，這些設計適用于通用電氣公司空調(diào)（熱泵） 的可調(diào)速驅(qū)動器、適用于通用電氣創(chuàng)造更高效照明產(chǎn)品的早期努力，以及各種小型、大型電器的控制。然而，在一個30年的時間跨度之后準備這樣一份報告是一個發(fā)現(xiàn)之旅。很明顯，IGBT已經(jīng)滲透到了經(jīng)濟的各個領域，給全球數(shù)十億人口帶來了舒適、方便和健康的生活。
提高電源管理和產(chǎn)出的效率是電力電子學的本質(zhì)，大家都認識到功率半導體器件在這一成果的實現(xiàn)上扮演著主要的角色。然而，節(jié)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(huán)境的影響是不可能的。因為世界上電力的2/3被用于讓電動機旋轉(zhuǎn)，我決定量化來自基于IGBT調(diào)速電動機驅(qū)動的能量節(jié)約。此外，由于世界上1/5的電力用于照明，我決定量化緊湊型熒光燈（CFL）的影響，因為其電子鎮(zhèn)流器使用了IGBT。第三個從IGBT受益的經(jīng)濟部門是運輸部門。很明顯，在20世紀80年代末有了IGBT器件后，電子打火系統(tǒng)得以出現(xiàn)，對內(nèi)燃機的火花塞進行控制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(chuàng)新的影響變得很重要。只是IGBT的這三個應用，我認為社會節(jié)約了50000MW•h以上的電能消耗（相當于少建600座火力發(fā)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(jié)省了超過15萬億美元，而且減少了二氧化碳排放量超過75萬億lb。
2012年，我被同事鼓勵以上面的報告為基礎寫一本IGBT的書｡我的反應是創(chuàng)造出一本易于理解的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、器件制造工藝、器件封裝和柵極驅(qū)動電路，然后提供了一個關于它在所有經(jīng)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(yè)界為每一種應用開發(fā)的優(yōu)化過的IGBT器件結構。我很高興愛思唯爾（Elsevier）公司的編輯發(fā)現(xiàn)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(fā)明、開發(fā)和成功商業(yè)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(chuàng)建一個關于IGBT工作原理、設計以及社會影響的單一來源。第1章提供了一個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(yè)化背后的歷史。第2章描述了各種經(jīng)過多年進化的IGBT結構。我1981年在通用電氣開發(fā)的第一個IGBT是600V的對稱阻斷型器件，隨后是600V非對稱阻斷型器件。在接下來的20年，功率半導體制造商們的注意力集中在電動機驅(qū)動應用中的非對稱結構。最近由于在電流源逆變器和矩陣轉(zhuǎn)換器上的使用又產(chǎn)生了對對稱阻斷型IGBT的興趣。第一個IGBT利用了平面柵結構，后來通過使用溝槽柵器件在通態(tài)電壓降和開關損耗之間獲得了折中曲線的重大改善。透明集電極IGBT結構在縮放IGBT的電壓等級從而允許IGBT應用于牽引驅(qū)動中起到了重要的作用。
第3章提供了一個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(tài)電壓降和功率損耗折中曲線這些術語進行系統(tǒng)性的分析。雖然還沒有商業(yè)化的器件可用，但為了完整性，還是把碳化硅IGBT也包含在其中。
從應用角度來看，IGBT優(yōu)異的堅固性與寬廣的安全工作區(qū)已成為它的基本特征之一。
第4章為設計IGBT的安全工作區(qū)提供了分析模型，它包括負責防止內(nèi)部寄生晶閘管閂鎖的器件元胞創(chuàng)新。當我最初提出IGBT時，這被認為是令人印象深刻之處。
第5章實際描述了IGBT芯片和其邊緣終端的有源區(qū)布局。這里還描述了過電流、過電壓和過溫保護技術。調(diào)整IGBT開關速度而又不傷害其柵氧化層的載流子壽命的控制工藝也在這里給出了描述。
第6章描述了分立IGBT和打包成模塊的IGBT的封裝技術。功率模塊的設計范圍從低功率到高功率水平。在第7章中,提供了各種門驅(qū)動電路控制回饋二極管的反向恢復和IGBT本身的開關損耗。第8章則提供了用于在功率電路中對IGBT進行仿真的模型。
在接下來的第9～18章，對IGBT在各個經(jīng)濟領域的應用進行了綜述。這些章節(jié)展示了這非凡的創(chuàng)新對社會影響的寬度。在每一章中都給出了電路拓撲，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。同時也給出了器件制造商為減少各種情況下的功率損耗而對IGBT結構所做的優(yōu)化。
在第9章中討論的交通行業(yè)，就個體消費者而言，在燃油汽車中使用內(nèi)燃機、在電動汽車或者混合動力汽車中驅(qū)動電動機，IGBT都是必不可少的。對公交系統(tǒng)而言，從電動公交車和電車到世界各地的高鐵網(wǎng)絡，IGBT也是必不可少的。隨著IGBT功率級別的增長，它甚至滲透到大型船舶的推進系統(tǒng)中，并使得全電動飛機成為可能。
第10章討論的工業(yè)領域包括可調(diào)速的電動機控制驅(qū)動、工廠自動化系統(tǒng)、機器人、焊接、感應加熱、銑削和鉆孔、造紙、紡織、金屬加工廠和采礦。
第11章討論了照明部門，提供各種廣泛應用于這個高容量領域的應用電路。此外，也描述了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章講解了IGBT在消費類電子領域的多種應用。在大量的應用中，最普遍的是我們家庭中的空調(diào)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臺式小家電中，是便攜式電磁爐、電飯煲、攪拌機、混合器和榨汁機。此外，在老一代陰極射線管電視機和現(xiàn)代等離子電視機中，IGBT也是一個重要組件。
社會極大地受益于應用在醫(yī)療部門的IGBT，提高醫(yī)療診斷水平和在心臟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，產(chǎn)生高質(zhì)量的醫(yī)療診斷圖像和治療身體創(chuàng)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、只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章描述了美國防御部門起初很不情愿采用IGBT，現(xiàn)在IGBT在所有軍事力量部署的裝備中都起到了基礎的作用。海軍將它們用在軍艦、航空母艦和核潛艇的配電系統(tǒng)中；陸軍正在開發(fā)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(zhí)行機構取代液壓系統(tǒng)。
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(fā)電廠需要增加太陽能和風能發(fā)電能力的部署。所有這些可再生能源都在逆變器中使用IGBT以向交流輸電網(wǎng)提供合規(guī)的能量。第15章介紹的電力電子技術不僅僅只用于這些可再生能源，同樣也用于水力發(fā)電、波浪發(fā)電、潮汐發(fā)電和地熱能。
第16章描述了IGBT對電力傳輸部門的滲透。這發(fā)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后。目前已經(jīng)為交流輸電網(wǎng)絡部署了基于IGBT的靜態(tài)無功補償器和靜態(tài)同步補償器。
如第17章中所討論的那樣，IGBT甚至使得經(jīng)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于計算機的高速交易的出現(xiàn)，任何電力中斷都會導致每小時數(shù)以百萬美元的損失。對數(shù)據(jù)中心的保護，基于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(zhì)量問題進行保護。
第18章寫了IGBT所有已掌握的、不適合在前面經(jīng)濟領域討論的眾多其他應用。這些應用包括：①智能家居；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于希格斯玻色子發(fā)現(xiàn)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。在這里給出了三個研究案例：調(diào)速電動機驅(qū)動、CFL燈鎮(zhèn)流器和電子點火系統(tǒng)。這三個應用通過IGBT極大地提升了效率，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(jié)省了超過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于IGBT的書，不僅提供關于工作原理和設計的全面描述，而且提供它橫跨各個經(jīng)濟領域的應用寬度，并量化其社會影響。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家們也會對它感興趣。
B.Jayant Baliga
2014年12月