新型功率器件mct關(guān)斷模型的研究

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1、新型功率器件MCT關(guān)斷模型的研究

2、第1內(nèi)容加載中...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(guò)MOS開關(guān)的通斷來(lái)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(chǎng)

3、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(chǎng)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(duì)大容量，高輸入阻抗電力電子器件的迫切需要，激勵(lì)著對(duì)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。2MCT結(jié)構(gòu)與工作特性2.1基本結(jié)構(gòu)MCT可分為

4、P型或N型，對(duì)稱或不對(duì)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(guò)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(lái)完成MCT的關(guān)斷。本文以P型不對(duì)稱關(guān)斷MOS門極的MCT為例進(jìn)行說(shuō)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。500)this.style.ouseg(this)">（a）斷面圖500)this.style.ouseg(this)">(b)等效電路圖圖1MCT的斷面圖和等效電路圖2.2工作特性由MCT

5、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(chǎng)效應(yīng)管的柵極連在一起形成MCT門極。當(dāng)MCT門極相對(duì)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NP

6、N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(duì)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(wú)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。3MCT的關(guān)斷模型3.1MCT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Roff（即OFF-FET導(dǎo)通電阻）。因此，可以得到MCT在關(guān)斷過(guò)程的等效電路圖，見圖2。500

7、)this.style.ouseg(this)">圖2MCT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(duì)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Cu，Ru，Vou表示上層PNP晶體管的等效電容，電阻和反電勢(shì)；Cl、Rl、Vol表示下層NPN晶體管的等效電容，電阻和反電勢(shì)；au、al、Cb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。500)this.style.ouseg(this)">圖3MCT等效仿真電路圖對(duì)MCT等效仿真電路圖可列出電路方程式（1），式（2）及式（3）。

8、If=Cu500)this.style.ouseg(this)">＋500)this.style.ouseg(this)">Vu－500)this.style.ouseg(this)">（1）If=Cl500)this.style.ouseg(this)">＋500)this.style.ouseg(this)">（2）If=Cb500)this.style.ouseg(this)">＋500)this.style.ouseg(this)">Vu＋500)this.style.ouseg(this)">Vl－500)this.style.ouse

9、g(this)">（3）式中：If為通過(guò)MCT的電流；Vu為上層基極－發(fā)射極間電壓；Vl為下層基極－發(fā)射極間電壓；Vf為晶閘管陽(yáng)極－陰極