新型功率器件MCT關斷模型的研究

2020-11-25 電子發燒友

新型功率器件MCT關斷模型的研究

摘要：介紹了新型功率器件MCT（MOS控制晶閘管）的基本結構，工作原理。詳細地探討了MCT在關斷情況下的建模，採用狀態空間分析法推導出了MCT的可關斷的最大電流與其結構的關係，並利用MATLAB/Simulink仿真證明了結論的正確性。

關鍵詞：MOS控制晶閘管；狀態空間分析法；可關斷最大電流

　

1    引言

    MCT是一種新型MOS/雙極複合器件。它是在普通晶閘管中用集成電路工藝製作大量的MOS開關，通過MOS開關的通斷來控制晶閘管的開啟和關斷。所以，MCT既有晶閘管良好的阻斷和通態特性，又具有MOS場效應管輸入阻抗高，驅動功率低和開關速度快的優點，同時克服了晶閘管速度慢，不能自關斷和高壓MOS場效應管導通壓降大的缺點。由於MCT與IGBT在相同的工作頻率下，其關斷的控制難度要高，製作工藝更複雜，所以其商業化速度沒有IGBT那麼快。但是，在牽引和高壓DC變換領域中，對大容量，高輸入阻抗電力電子器件的迫切需要，激勵著對MCT的研究。

    本文介紹了MCT的工作原理，並詳細地探討了MCT關斷模型，分析其模型動態變化時的穩定性，得出可關斷的最大電流與其結構的關係，並利用MATLAB仿真，證明推導結論的正確性。

2    MCT結構與工作特性

2.1    基本結構

    MCT可分為P型或N型，對稱或不對稱關斷，單端或雙端關斷FET門極控制和不同的導通選擇（包括光控導通）。所有這些類型都有一個共同特點，即通過關斷FET使一個或兩個晶閘管的發射極－基極結短路來完成MCT的關斷。本文以P型不對稱關斷MOS門極的MCT為例進行說明。圖1是MCT的斷面圖和等效電路。該等效電路與一般的晶閘管雙電晶體模型基本相同，只是加入了導通FET和關斷FET。

（a）    斷面圖

(b)    等效電路圖

圖1    MCT的斷面圖和等效電路圖

2.2    工作特性

    由MCT的等效電路可知，一個MCT是由大量的這樣的等效電路組成的，每一個這樣的等效電路包括一個寬基區的PNP電晶體和一個窄基區的NPN電晶體（二者構成晶閘管），以及一個OFF-FET和一個ON-FET。OFF-FET連接在PNP電晶體的基極和發射極之間。同時，還有少部分ON-FET，連接在PNP電晶體的集電極和發射極之間。兩隻MOS場效應管的柵極連在一起形成MCT門極。

    當MCT門極相對於陰極施加正脈衝電壓時，ON-FET導通，它的漏極電流使NPN電晶體導通，NPN電晶體的集電極電流（空穴）使PNP電晶體導通，而PNP電晶體的集電極電流（電子）又促使了NPN電晶體的導通，這樣的正反饋，使MCT迅速由截止轉入導通，並處於擎住狀態。當門極相對於陰極加負脈衝電壓時，OFF-FET導通，PNP電晶體的基極－發射極被短路，使PNP電晶體截止，從而破壞了電晶體的擎住條件，使MCT關斷。無論開啟或關斷，在晶片上各部分都是同時進行的，所以MCT具有較高的開關速度。

3    MCT的關斷模型

3.1    MCT在關斷時的建模

    MCT的關斷是由於PNP電晶體的基極－發射極被短路，使PNP電晶體截止。設PNP電晶體的基極－發射極間的短路電阻為Roff（即OFF-FET導通電阻）。因此，可以得到MCT在關斷過程的等效電路圖，見圖2。

圖2    MCT關斷時等效電路圖

    MCT等效電路是由上層的PNP電晶體和下層的NPN電晶體耦合而成的，對上下兩層的電晶體進行等效，可以得到等效的仿真電路如圖3所示。圖中Cu，Ru，Vou表示上層PNP電晶體的等效電容，電阻和反電勢；Cl、Rl、Vol表示下層NPN電晶體的等效電容，電阻和反電勢；au、al、Cb表示上下耦合電晶體電流放大係數和電晶體間的等效電容。

圖3    MCT等效仿真電路圖

    對MCT等效仿真電路圖可列出電路方程式（1），式（2）及式（3）。

    If=Cu＋Vu－    （1）

    If=Cl＋    （2）

    If=Cb＋Vu＋Vl－    （3）

式中：If為通過MCT的電流；

      Vu為上層基極－發射極間電壓；

      Vl為下層基極－發射極間電壓；

      Vf為晶閘管陽極－陰極間電壓。

    把式（1）,式（2）及式（3）寫成式（4）的狀態方程形式

    =＋＋If    （4）

    從而得到了MCT狀態模型。

3.2    對MCT模型動態的穩定性分析

    對式（4）的A矩陣進行分析，其特徵根是S1，S2，S3。

    S1=；S2=；S3=0    （5）

    可以看出，系統是處於邊界穩定的，在穩定情況下的上下電晶體的基極－發射極間電壓如式（6）及式（7）所示。

    Vu=If＋    （6）

    Vl=IfRl＋Vol        （7）

    把式（6）及式（7）代入式（4）可以得到Vb的微分式（8），即

    =－＋    （8）

    dVb/dt如果是正的，表示Vb在升高，表明MCT可以關斷。如果是負的，表示Vb在下降，表明不能關斷。要使MCT關斷，必須dVb/dt>0，則可以得到式（9）

    Roff<＋Ru    （9）

    因為au，al是大於零且小於1的，所以Ru是大於零，Ru非常小，如果忽略，就可以得到式（10）If的極大值Ifmax

    Ifmax=    （10）

    從而得到了可關斷最大電流Ifmax與電晶體電流放大係數au、al、基極－發射極間的短路電阻為Roff之間的關係。

3.3    對MCT模型的仿真與分析

    對圖3所示MCT等效仿真電路模型，利用MATLAB/Simulink仿真分析MCT最大可關斷電流與射結短路電阻和耦合電晶體電流放大係數間的關係。仿真中，晶閘管的射結短路電阻用Roff表示，NPN和PNP電晶體的共基極電流放大係數用au和al表示，最大可關斷電流用Ifmax表示。仿真電路中其他元器件模型參數依據MCT結構參數選定。圖4，圖5，圖6中的實線為仿真結果，再把仿真有關數據代入式（9）得到圖中虛線。仿真與解析曲線吻合得很好，證明了推導和仿真是一致的。

圖4    Ifmax與Roff的關係

圖5    Ifmax與al的關係

圖6    Ifmax與au的關係

    圖4的曲線是au，al分別取0.85和0.75時，Ifmax與Roff的關係，可以看出，Roff越小，最大可關斷電流Ifmax越大。因為關閉柵的柵壓不同，引起反型溝道的載流子的密度不同，短路電晶體射結的電阻也不同，所以可關斷最大電流也不同。

    圖5的曲線是au分別取0.75和0.85時，Ifmax與al的關係，可以看到，在au一定時，最大可關斷電流Ifmax隨al的減小而增大，

    圖6的曲線是al分別取0.75和0.85時，Ifmax與au的關係，可以看到，在al一定時，最大可關斷電流Ifmax隨au的減小而增大，

    從圖5和圖6可以看出，Ifmax隨al減小而增大的速度要大於Ifmax隨au減小而增大的速度，表明al對Ifmax的影響較au大。

4    結語

    電晶體的電流放大係數，射結短路電阻以及電流放大係數間的關係與MCT最大可關斷電流Ifmax的關係密切。因此，設計MCT時，在滿足器件擊穿電壓條件下，對於最大可關斷電流的設計應考慮其與電晶體電流放大係數的關係以及電流放大係數間的相互關係。電晶體電流放大係數au，al和射結短路電阻Roff是由器件的結構參數決定的，根據電晶體和MOSFET器件的機理，它們可以方便地用器件的幾何結構參數和材料物理參數表示。因此，最大可關斷電流Ifmax就與結構參數聯繫在一起了，這對MCT器件的設計具有指導意義。同時把現代控制理論的狀態空間分析法引入到電力電子器件的分析，也是一種有意義的嘗試。

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