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

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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

3、效應(yīng)管輸入阻抗高,驅(qū)動功率低和開關(guān)速度快的優(yōu)點,同時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。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,激勵著對MCT的研究。本文介紹了MCT的工作原理,并詳細地探討了MCT關(guān)斷模型,分析其模型動態(tài)變化時的穩(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共同特點,即通過關(guān)斷FET使一個或兩個晶閘管的發(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。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(qū)的PNP晶體管和一個窄基區(qū)的NPN晶體管(二者構(gòu)成晶閘管),以及一個OFF-FET和一個ON-FET。OFF-FET連接在PNP晶體管的基極和發(fā)射極之間。同時,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,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)門極相對于陰極加負脈沖電壓時,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進行的,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)斷過程的等效電路圖,見圖2。500

7、)this.style.ouseg(this)">圖2MCT關(guān)斷時等效電路圖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;Cl、Rl、Vol表示下層NPN晶體管的等效電容,電阻和反電勢;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為晶閘管陽極-陰極

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