新型功率器件MCT關(guān)斷模型的研究

新型功率器件MCT關(guān)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(jié)構(gòu)，工作原理。詳細(xì)地探討了MCT在關(guān)斷情況下的建模，采用狀態(tài)空間分析法推導(dǎo)出了MCT的可關(guān)斷的最大電流與其結(jié)構(gòu)的關(guān)系，并利用MATLAB/Simulink仿真證明了結(jié)論的正確性。

關(guān)鍵詞：MOS控制晶閘管；狀態(tài)空間分析法；可關(guān)斷最大電流

1??? 引言

??? MCT是一種新型MOS/雙極復(fù)合器件。它是在普通晶閘管中用集成電路工藝制作大量的MOS開關(guān)，通過MOS開關(guān)的通斷來控制晶閘管的開啟和關(guān)斷。所以，MCT既有晶閘管良好的阻斷和通態(tài)特性，又具有MOS場效應(yīng)管輸入阻抗高，驅(qū)動(dòng)功率低和開關(guān)速度快的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了晶閘管速度慢，不能自關(guān)斷和高壓MOS場效應(yīng)管導(dǎo)通壓降大的缺點(diǎn)。由于MCT與IGBT在相同的工作頻率下，其關(guān)斷的控制難度要高，制作工藝更復(fù)雜，所以其商業(yè)化速度沒有IGBT那么快。但是，在牽引和高壓DC變換領(lǐng)域中，對大容量，高輸入阻抗電力電子器件的迫切需要，激勵(lì)著對MCT的研究。

??? 本文介紹了MCT的工作原理，并詳細(xì)地探討了MCT關(guān)斷模型，分析其模型動(dòng)態(tài)變化時(shí)的穩(wěn)定性，得出可關(guān)斷的最大電流與其結(jié)構(gòu)的關(guān)系，并利用MATLAB仿真，證明推導(dǎo)結(jié)論的正確性。

2??? MCT結(jié)構(gòu)與工作特性

2.1??? 基本結(jié)構(gòu)

??? MCT可分為P型或N型，對稱或不對稱關(guān)斷，單端或雙端關(guān)斷FET門極控制和不同的導(dǎo)通選擇（包括光控導(dǎo)通）。所有這些類型都有一個(gè)共同特點(diǎn)，即通過關(guān)斷FET使一個(gè)或兩個(gè)晶閘管的發(fā)射極－基極結(jié)短路來完成MCT的關(guān)斷。本文以P型不對稱關(guān)斷MOS門極的MCT為例進(jìn)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晶體管模型基本相同，只是加入了導(dǎo)通FET和關(guān)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(gè)MCT是由大量的這樣的等效電路組成的，每一個(gè)這樣的等效電路包括一個(gè)寬基區(qū)的PNP晶體管和一個(gè)窄基區(qū)的NPN晶體管（二者構(gòu)成晶閘管），以及一個(gè)OFF-FET和一個(gè)ON-FET。OFF-FET連接在PNP晶體管的基極和發(fā)射極之間。同時(shí)，還有少部分ON-FET，連接在PNP晶體管的集電極和發(fā)射極之間。兩只MOS場效應(yīng)管的柵極連在一起形成MCT門極。

??? 當(dāng)MCT門極相對于陰極施加正脈沖電壓時(shí)，ON-FET導(dǎo)通，它的漏極電流使NPN晶體管導(dǎo)通，NPN晶體管的集電極電流（空穴）使PNP晶體管導(dǎo)通，而PNP晶體管的集電極電流（電子）又促使了NPN晶體管的導(dǎo)通，這樣的正反饋，使MCT迅速由截止轉(zhuǎn)入導(dǎo)通，并處于擎住狀態(tài)。當(dāng)門極相對于陰極加負(fù)脈沖電壓時(shí)，OFF-FET導(dǎo)通，PNP晶體管的基極－發(fā)射極被短路，使PNP晶體管截止，從而破壞了晶體管的擎住條件，使MCT關(guān)斷。無論開啟或關(guān)斷，在芯片上各部分都是同時(shí)進(jìn)行的，所以MCT具有較高的開關(guān)速度。

3??? MCT的關(guān)斷模型

3.1??? MCT在關(guān)斷時(shí)的建模

??? MCT的關(guān)斷是由于PNP晶體管的基極－發(fā)射極被短路，使PNP晶體管截止。設(shè)PNP晶體管的基極－發(fā)射極間的短路電阻為R_off（即OFF-FET導(dǎo)通電阻）。因此，可以得到MCT在關(guān)斷過程的等效電路圖，見圖2。

圖2??? MCT關(guān)斷時(shí)等效電路圖

??? MCT等效電路是由上層的PNP晶體管和下層的NPN晶體管耦合而成的，對上下兩層的晶體管進(jìn)行等效，可以得到等效的仿真電路如圖3所示。圖中C_u，R_u，V_ou表示上層PNP晶體管的等效電容，電阻和反電勢；C_l、R_l、V_ol表示下層NPN晶體管的等效電容，電阻和反電勢；a_u、a_l、C_b表示上下耦合晶體管電流放大系數(shù)和晶體管間的等效電容。

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）。

??? I_f=C_u＋V_u－??? （1）

??? I_f=C_l＋??? （2）

??? I_f=C_b＋V_u＋V_l－??? （3）

式中：I_f為通過MCT的電流；

????? V_u為上層基極－發(fā)射極間電壓；

????? V_l為下層基極－發(fā)射極間電壓；

????? V_f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(tài)方程形式

??? =＋＋I_f??? （4）

??? 從而得到了MCT狀態(tài)模型。

3.2??? 對MCT模型動(dòng)態(tài)的穩(wěn)定性分析

??? 對式（4）的A矩陣進(jìn)行分析，其特征根是S₁，S₂，S₃。

??? S₁=；S₂=；S₃=0??? （5）

??? 可以看出，系統(tǒng)是處于邊界穩(wěn)定的，在穩(wěn)定情況下的上下晶體管的基極－發(fā)射極間電壓如式（6）及式（7）所示。

??? V_u=I_f＋??? （6）

??? V_l=I_fR_l＋V_ol???_???? （7）

??? 把式（6）及式（7）代入式（4）可以得到Vb的微分式（8），即

??? =－＋??? （8）

??? dV_b/dt如果是正的，表示V_b在升高，表明MCT可以關(guān)斷。如果是負(fù)的，表示V_b在下降，表明不能關(guān)斷。要使MCT關(guān)斷，必須dV_b/dt>0，則可以得到式（9）

??? R_off<＋R_u??? （9）

??? 因?yàn)?I>a_u，a_l是大于零且小于1的，所以R_u是大于零，R_u非常小，如果忽略，就可以得到式（10）I_f的極大值I_fmax

??? I_fmax=??? （10）

??? 從而得到了可關(guān)斷最大電流I_fmax與晶體管電流放大系數(shù)a_u、a_l、基極－發(fā)射極間的短路電阻為R_off之間的關(guān)系。

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(guān)斷電流與射結(jié)短路電阻和耦合晶體管電流放大系數(shù)間的關(guān)系。仿真中，晶閘管的射結(jié)短路電阻用R_off表示，NPN和PNP晶體管的共基極電流放大系數(shù)用a_u和a_l表示，最大可關(guān)斷電流用I_fmax表示。仿真電路中其他元器件模型參數(shù)依據(jù)MCT結(jié)構(gòu)參數(shù)選定。圖4，圖5，圖6中的實(shí)線為仿真結(jié)果，再把仿真有關(guān)數(shù)據(jù)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(dǎo)和仿真是一致的。

圖4??? I_fmax與R_off的關(guān)系

圖5??? I_fmax與a_l的關(guān)系

圖6??? I_fmax與a_u的關(guān)系

??? 圖4的曲線是a_u，a_l分別取0.85和0.75時(shí)，I_fmax與R_off的關(guān)系，可以看出，R_off越小，最大可關(guān)斷電流I_fmax越大。因?yàn)殛P(guān)閉柵的柵壓不同，引起反型溝道的載流子的密度不同，短路晶體管射結(jié)的電阻也不同，所以可關(guān)斷最大電流也不同。

??? 圖5的曲線是a_u分別取0.75和0.85時(shí)，I_fmax與a_l的關(guān)系，可以看到，在a_u一定時(shí)，最大可關(guān)斷電流I_fmax隨a_l的減小而增大，

??? 圖6的曲線是a_l分別取0.75和0.85時(shí)，I_fmax與a_u的關(guān)系，可以看到，在a_l一定時(shí)，最大可關(guān)斷電流I_fmax隨a_u的減小而增大，

??? 從圖5和圖6可以看出，I_fmax隨a_l減小而增大的速度要大于I_fmax隨a_u減小而增大的速度，表明a_l對I_fmax的影響較a_u大。

4??? 結(jié)語

??? 晶體管的電流放大系數(shù)，射結(jié)短路電阻以及電流放大系數(shù)間的關(guān)系與MCT最大可關(guān)斷電流I_fmax的關(guān)系密切。因此，設(shè)計(jì)MCT時(shí)，在滿足器件擊穿電壓條件下，對于最大可關(guān)斷電流的設(shè)計(jì)應(yīng)考慮其與晶體管電流放大系數(shù)的關(guān)系以及電流放大系數(shù)間的相互關(guān)系。晶體管電流放大系數(shù)a_u，a_l和射結(jié)短路電阻R_off是由器件的結(jié)構(gòu)參數(shù)決定的，根據(jù)晶體管和MOSFET器件的機(jī)理，它們可以方便地用器件的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料物理參數(shù)表示。因此，最大可關(guān)斷電流I_fmax就與結(jié)構(gòu)參數(shù)聯(lián)系在一起了，這對MCT器件的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。同時(shí)把現(xiàn)代控制理論的狀態(tài)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。