MOS门控晶闸管的工作原理解析

MOS 门控晶闸管 ( MOS Controlled Thyristor, MCT）是结合双极功率晶体管和MOS功率晶体管于一体的功率器件，主要利用两个 MOS 栅极来控制晶闸管的导通电流以获得较好的关断特性。如图 2-93 (a） 所示，一个 MOS 用来开启器件，另一个 MOS 用来关断晶闸管。MCT 不仅提供了双极技术和MOS 技术的工作特性，同时也为现有功率器件提供了合适的替代方案。MCT 是一种新型复合器件，它结合了晶闸管高功率处理能力以及 MOS 栅控器件的易控制性和高速度。

MCT 采用集成电路工艺制成，图2-93 （a）所示的是其中的一个单元 (cell)，图2-93（b）是其等效电路，一个小的 MCT 大约有一万个单元。由等效电路看出，两个MOSFET 的栅极与 MCT 的栅极（G）相连。当栅极电压相对于阴极为正时，nMOSFET 导通，电流从阳极流进 npn 晶体管的基极使器件导通。当器件导通时，阳极的电压仅略高于阴极电压，此时若栅极电压相对于阳极为负则使pMOSFET 导通，电流经由 pMOSFET 直接流至阳极而不经过 pnp 晶体管的射基结，则晶闸管的正反馈因被破坏而关闭。如果功率器件里只有一个用于触发导通晶闸管的 MOSOFET，而没有关闭晶闸管的 MOSFET，则此器件称作 MOS 栅控晶闸管 (MOS Gated Thyristor, MCT)。

MCT 的优点：①电压高，电流大；②通态压降小（为 IGBT 的1/3，约1.1V)；③极高的di/dt 和du/dt 耐量 (di/dt=2000A/μs, du/dt = 20000V/μs)；④开关频率高，功耗低;⑤工作温度高（200℃以上)；⑥门极驱动电路简单;⑦器件不因关断失效而损坏。

双极 BJT 功率器件具有通过大电流和耐高电压的能力。大电流注入造成的强电导率调制效应可使 BJT 具有较低的通态电压，故导通功耗较低。双极BJT功率器件是少数载流子传输器件，具有较长的少数载流子存储时间，致使器件的开关速度变慢；且由于它们是电流控制器件，匹配的驱动电路相对较复杂。相比之下，MOS 功率器件是多数载流子传输的器件，所以开关速度非常快。此外，MOS 功率器件的输入阻抗是电容式的高阻抗，器件的开关由电压控制，所以驱动电路的设计及制造很简单；特别是在低频下工作时，与双极 BJT 功率器件比较，会有较快的开关速度。MOS 功率器件具有正电阻率的温度系数，且由于不存在电导率调制的现象，使得 MOS 功率器件在高电压下具有较大的导通电阻Rᵈˢ。 MCT 是BJT-MOS 复合器件，在操作上结合了双极 BJT 功率器件和 MOS功率器件的优点，适用于低频、高电压和大功率的应用领域，电压阻断能力可达到10kV，但开关瞬变期间所产生的能耗限制了 MCT 结构的最大工作频率（低于100kHz) .

与GTO 器件的结构相比，MCT 结构的优势是匹配其 MOS 栅极结构的栅极控制电路较为简单，且由于分流路径很短，使 MCT 的阳极电压在栅极电压达到负的栅极电源电压之后能立即开始上升，故关断过程中的充电时间间隔较短。与IGBT 相比，MCT 的通态电压降落较小，功率损耗曲线较佳，但缺乏正向偏置的全工作区，故难以取代 IGBT。

审核编辑：刘清