新型功率器件mct关断模型的研究

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1、新型功率器件MCT关断模型的研究

2、第1内容加载中...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

3、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。2MCT结构与工作特性2.1基本结构MCT可分为

4、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。500)this.style.ouseg(this)">（a）断面图500)this.style.ouseg(this)">(b)等效电路图图1MCT的断面图和等效电路图2.2工作特性由MCT

5、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NP

6、N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。3MCT的关断模型3.1MCT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Roff（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。500

7、)this.style.ouseg(this)">图2MCT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Cu，Ru，Vou表示上层PNP晶体管的等效电容，电阻和反电势；Cl、Rl、Vol表示下层NPN晶体管的等效电容，电阻和反电势；au、al、Cb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。500)this.style.ouseg(this)">图3MCT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）。

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为通过MCT的电流；Vu为上层基极－发射极间电压；Vl为下层基极－发射极间电压；Vf为晶闸管阳极－阴极