新型功率器件MCT關(guān)斷模型.pdf

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1、華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）第32卷第l期JOurnaIOfSOuthChinaUniversityOfTechnOIOgyVOI.32NO.l2004年l月（NaturaIScienceEditiOn）January2004文章編號：l000-565X（2004）0l-0029-04*新型功率器件MCT關(guān)斷模型蔡麗娟鄒祖冰（華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東廣州5l0640）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)和工作原理.探討了MCT在關(guān)斷情況下的物理狀態(tài)模型，并對MCT的物理狀態(tài)模型采用狀態(tài)平均法建立其關(guān)斷時(shí)的

2、數(shù)學(xué)模型.把整個(gè)器件看成一個(gè)系統(tǒng)，利用狀態(tài)空間分析法分析其關(guān)斷時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而推導(dǎo)出MCT的可關(guān)斷的最大電流，然后分析其可關(guān)斷的最大電流與其結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系，并利用MATLAB/SimuIink進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果與解析分析結(jié)果一致.關(guān)鍵詞：場效應(yīng)；晶閘管；狀態(tài)空間分析法；可關(guān)斷最大電流；狀態(tài)模型；結(jié)構(gòu)參數(shù)中圖分類號：TN34；TN386文獻(xiàn)標(biāo)識碼：AMCT（MOS控制晶閘管）是一類新型的MOS/雙態(tài)空間分析法分析其關(guān)斷時(shí)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，從而推導(dǎo)極復(fù)合器件，兼有晶閘管電流、電壓容量大與MOS出MCT的可關(guān)斷最大電流；然后分析其可關(guān)斷最

3、大管門極導(dǎo)通和關(guān)斷方便等優(yōu)點(diǎn).它是在普通晶閘管電流與其結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系，并利用MATLAB/SimuIink中用集成電路工藝制作大量的MOS開關(guān)，通過MOS進(jìn)行仿真，以證明推導(dǎo)結(jié)論的正確性.開關(guān)的通斷來控制晶閘管的開啟和關(guān)斷.因此MCTlMCT結(jié)構(gòu)與工作特性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)動功率低和開關(guān)速度快的l.l基本結(jié)構(gòu)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MCT可分為P型和N型，對稱和不對稱關(guān)斷、［l］MOS場效應(yīng)管導(dǎo)通壓降大的缺點(diǎn).由于MCT與單端或雙端關(guān)斷FET（FieIdEffec

4、tTransistOr）門極控IGBT（InsuIatedGateBitOIarTransistOr）在相同的工制和不同的導(dǎo)通選擇（包括光控導(dǎo)通）.其共同特點(diǎn)作頻率下，其關(guān)斷的控制難度要高，制作工藝更復(fù)是：通過關(guān)斷FET使一個(gè)或兩個(gè)晶體管的發(fā)射極—雜，所以其商業(yè)化速度沒有IGBT那么快.但是在現(xiàn)［2］基極結(jié)短路來完成MCT的關(guān)斷.本研究以P型不代電氣化鐵路中的牽引系統(tǒng)和現(xiàn)代高壓直流輸電系對稱關(guān)斷MOS門極的MCT為例.統(tǒng)中整流和逆變變換對大容量、高輸入阻抗電力電子器件的迫切需要，對MCT的研究顯得尤為重要.本文中介紹MCT的基本結(jié)構(gòu)

5、和工作原理，詳細(xì)探討MCT關(guān)斷這一關(guān)鍵時(shí)段器件的物理狀態(tài)模型，并對MCT的物理狀態(tài)模型采用狀態(tài)平均法建立其關(guān)斷時(shí)的數(shù)學(xué)模型，把整個(gè)器件看成一個(gè)系統(tǒng)，利用狀收稿日期：2003-03-20*基金項(xiàng)目：廣東省“十五”科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目（Al05050l）作者簡介：蔡麗娟（l949-），女，副教授，主要從事電力電圖lMCT的斷面圖和等效電路圖子系統(tǒng)的建模、仿真和控制的研究.E-maiI：Ijcai@scut.Fig.lSectiOnandeguivaIentcircuitdiagramOfMCTedu.cn圖l是MCT的斷面圖和等效電路圖

6、.該等效電30華南理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）第32卷路與一般的晶閘管雙晶體管模型基本相同，僅加入電勢，Cl、Rl、!ol分別表示下層npn晶體管的等效電了導(dǎo)通FET和關(guān)斷FET.容、電阻和反電勢，aU、al、C6則分別表示上下耦合晶1.2工作特性體管電流放大系數(shù)和晶體管間的等效電容.由MCT的等效電路可知，一個(gè)MCT是由大量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

7、時(shí)，有少部分含有On-FET，它連接在pnp晶體管的集電極和發(fā)射極之間.兩只MOS場效應(yīng)管的［3］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晶體管的集電極電路（電子）又促使了npn晶體圖3MCT等效仿真電路圖管的導(dǎo)通，這樣的正反饋使MCT迅速由截止轉(zhuǎn)入導(dǎo)Fig.3EguivahhntSimuhathdcircuitdiagramOfMCT通，并處于擎住狀態(tài).當(dāng)門極相對于陰極加負(fù)脈沖電對MCT等效仿真

8、電路圖列寫電路表達(dá)式有壓時(shí)，Off-FET導(dǎo)通，pnp晶體管的基極—發(fā)射極被i#U11!oU短路，使pnp晶體管截止，從而破壞了晶體管的擎住"f=CUit+(R+R)#U-R（1）offUU條件，使MCT關(guān)斷.無論開啟或關(guān)斷，都是在芯