新型功率器件MCT关断模型的研究

新型功率器件MCT关断模型的研究

摘要：介绍了新型功率器件MCT（MOS控制晶闸管）的基本结构，工作原理。详细地探讨了MCT在关断情况下的建模，采用状态空间分析法推导出了MCT的可关断的最大电流与其结构的关系，并利用MATLAB/Simulink仿真证明了结论的正确性。

关键词：MOS控制晶闸管；状态空间分析法；可关断最大电流

1    引言

    MCT是一种新型MOS/双极复合器件。它是在普通晶闸管中用集成电路工艺制作大量的MOS开关，通过MOS开关的通断来控制晶闸管的开启和关断。所以，MCT既有晶闸管良好的阻断和通态特性，又具有MOS场效应管输入阻抗高，驱动功率低和开关速度快的优点，同时克服了晶闸管速度慢，不能自关断和高压MOS场效应管导通压降大的缺点。由于MCT与IGBT在相同的工作频率下，其关断的控制难度要高，制作工艺更复杂，所以其商业化速度没有IGBT那么快。但是，在牵引和高压DC变换领域中，对大容量，高输入阻抗电力电子器件的迫切需要，激励着对MCT的研究。

    本文介绍了MCT的工作原理，并详细地探讨了MCT关断模型，分析其模型动态变化时的稳定性，得出可关断的最大电流与其结构的关系，并利用MATLAB仿真，证明推导结论的正确性。

2    MCT结构与工作特性

2.1    基本结构

    MCT可分为P型或N型，对称或不对称关断，单端或双端关断FET门极控制和不同的导通选择（包括光控导通）。所有这些类型都有一个共同特点，即通过关断FET使一个或两个晶闸管的发射极－基极结短路来完成MCT的关断。本文以P型不对称关断MOS门极的MCT为例进行说明。图1是MCT的断面图和等效电路。该等效电路与一般的晶闸管双晶体管模型基本相同，只是加入了导通FET和关断FET。

（a）    断面图

(b)    等效电路图

图1    MCT的断面图和等效电路图

2.2    工作特性

    由MCT的等效电路可知，一个MCT是由大量的这样的等效电路组成的，每一个这样的等效电路包括一个宽基区的PNP晶体管和一个窄基区的NPN晶体管（二者构成晶闸管），以及一个OFF-FET和一个ON-FET。OFF-FET连接在PNP晶体管的基极和发射极之间。同时，还有少部分ON-FET，连接在PNP晶体管的集电极和发射极之间。两只MOS场效应管的栅极连在一起形成MCT门极。

    当MCT门极相对于阴极施加正脉冲电压时，ON-FET导通，它的漏极电流使NPN晶体管导通，NPN晶体管的集电极电流（空穴）使PNP晶体管导通，而PNP晶体管的集电极电流（电子）又促使了NPN晶体管的导通，这样的正反馈，使MCT迅速由截止转入导通，并处于擎住状态。当门极相对于阴极加负脉冲电压时，OFF-FET导通，PNP晶体管的基极－发射极被短路，使PNP晶体管截止，从而破坏了晶体管的擎住条件，使MCT关断。无论开启或关断，在芯片上各部分都是同时进行的，所以MCT具有较高的开关速度。

3    MCT的关断模型

3.1    MCT在关断时的建模

    MCT的关断是由于PNP晶体管的基极－发射极被短路，使PNP晶体管截止。设PNP晶体管的基极－发射极间的短路电阻为R_off（即OFF-FET导通电阻）。因此，可以得到MCT在关断过程的等效电路图，见图2。

图2    MCT关断时等效电路图

    MCT等效电路是由上层的PNP晶体管和下层的NPN晶体管耦合而成的，对上下两层的晶体管进行等效，可以得到等效的仿真电路如图3所示。图中C_u，R_u，V_ou表示上层PNP晶体管的等效电容，电阻和反电势；C_l、R_l、V_ol表示下层NPN晶体管的等效电容，电阻和反电势；a_u、a_l、C_b表示上下耦合晶体管电流放大系数和晶体管间的等效电容。

图3    MCT等效仿真电路图

    对MCT等效仿真电路图可列出电路方程式（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为通过MCT的电流；

      V_u为上层基极－发射极间电压；

      V_l为下层基极－发射极间电压；

      V_f为晶闸管阳极－阴极间电压。

    把式（1）,式（2）及式（3）写成式（4）的状态方程形式

    =＋＋I_f    （4）

    从而得到了MCT状态模型。

3.2    对MCT模型动态的稳定性分析

    对式（4）的A矩阵进行分析，其特征根是S₁，S₂，S₃。

    S₁=；S₂=；S₃=0    （5）

    可以看出，系统是处于边界稳定的，在稳定情况下的上下晶体管的基极－发射极间电压如式（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可以关断。如果是负的，表示V_b在下降，表明不能关断。要使MCT关断，必须dV_b/dt>0，则可以得到式（9）

    R_off<＋R_u    （9）

    因为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的极大值I_fmax

    I_fmax=    （10）

    从而得到了可关断最大电流I_fmax与晶体管电流放大系数a_u、a_l、基极－发射极间的短路电阻为R_off之间的关系。

3.3    对MCT模型的仿真与分析

    对图3所示MCT等效仿真电路模型，利用MATLAB/Simulink仿真分析MCT最大可关断电流与射结短路电阻和耦合晶体管电流放大系数间的关系。仿真中，晶闸管的射结短路电阻用R_off表示，NPN和PNP晶体管的共基极电流放大系数用a_u和a_l表示，最大可关断电流用I_fmax表示。仿真电路中其他元器件模型参数依据MCT结构参数选定。图4，图5，图6中的实线为仿真结果，再把仿真有关数据代入式（9）得到图中虚线。仿真与解析曲线吻合得很好，证明了推导和仿真是一致的。

图4    I_fmax与R_off的关系

图5    I_fmax与a_l的关系

图6    I_fmax与a_u的关系

    图4的曲线是a_u，a_l分别取0.85和0.75时，I_fmax与R_off的关系，可以看出，R_off越小，最大可关断电流I_fmax越大。因为关闭栅的栅压不同，引起反型沟道的载流子的密度不同，短路晶体管射结的电阻也不同，所以可关断最大电流也不同。

    图5的曲线是a_u分别取0.75和0.85时，I_fmax与a_l的关系，可以看到，在a_u一定时，最大可关断电流I_fmax随a_l的减小而增大，

    图6的曲线是a_l分别取0.75和0.85时，I_fmax与a_u的关系，可以看到，在a_l一定时，最大可关断电流I_fmax随a_u的减小而增大，

    从图5和图6可以看出，I_fmax随a_l减小而增大的速度要大于I_fmax随a_u减小而增大的速度，表明a_l对I_fmax的影响较a_u大。

4    结语

    晶体管的电流放大系数，射结短路电阻以及电流放大系数间的关系与MCT最大可关断电流I_fmax的关系密切。因此，设计MCT时，在满足器件击穿电压条件下，对于最大可关断电流的设计应考虑其与晶体管电流放大系数的关系以及电流放大系数间的相互关系。晶体管电流放大系数a_u，a_l和射结短路电阻R_off是由器件的结构参数决定的，根据晶体管和MOSFET器件的机理，它们可以方便地用器件的几何结构参数和材料物理参数表示。因此，最大可关断电流I_fmax就与结构参数联系在一起了，这对MCT器件的设计具有指导意义。同时把现代控制理论的状态空间分析法引入到电力电子器件的分析，也是一种有意义的尝试。