MOS晶闸管关断技术探析

MTO是1996年由SPCO公司开发的另一种用MOSFET来关断GTO的压控晶闸管^[61]。

1.MTO结构

图3-67给出了4.5kV/500A MTO的外形、结构^[66]及其电路图形符号。由图3-67a可知，MTO采用外部连接线将GTO与其驱动电路连在一起，由于MOSFET被集成在封装体内，所以外围并无特别复杂的驱动电路。由图3-67b可知，MTO也有两个门极：一个为原有的开通门极G₁，另一个为新设的关断门极G₂，是与GTO门极串联的p沟道MOSFET的栅极。该MOSFET具有低压与低导通电阻，通过MOSFET开通来控制GTO的关断。图3-67c为MTO的电路图形符号。

图3-67 MTO外形、结构剖面图及电路图形符号

2.开关原理

如图3-68所示，当MTO开通时，在门极G₁上加很强的正向电流触发脉冲，可以触发GTO导通，此时门极G₂加正栅压，p沟道MOSFET关断。GTO导通后，其阳极电流通过GTO流到阴极，故导通状态下的MTO与GTO完全相同。当MTO关断时，门极G₂加上负栅压，p沟道MOSFET导通，使GTO的门阴极J₃结短路，于是阳极电流可在极短时间（约1μs）内转换到门极，使MTO关断。

图3-68 MTO开关原理示意

3.开关特性

MTO是通过控制MOSFET的开通来实现关断的，也属于电压控制型器件。由于MOSFET的导通电阻很低，MTO也可实现单位关断增益，故关断时也不需要du/dt吸收电路。与GTO相比，MTO的开关损耗减小，存储时间更短、一致性更好，门极关断功率更低。

在MTO关断过程中，由于门极回路的电压有限，所以阳极电流变化率di_A/dt通常被限制在2kA/μs。如图3-68所示。当GTO的阳极电流下降以后，门-阴极J₃结的寄生电容C_GK将通过门极电感L_G、MOSFET和C_GK回路放电，引起一个正向电流向门阴极结注入。为了避免载流子的有效注入，防止门阴极结导通，要求该正向电流产生的压降必须低于门阴极结开启电压U_E（约0.6V），即(www.xing528.com)

为了满足该条件，要求L_G极小。如果GTO在非均匀的关断情况下，甚至很小的L_G，就会引起小电流注入到GTO单元中。这是MTO在无吸收条件关断时需要注意的一个关键问题。

4.集成结构

由于MOSFET与GTO的键合线会引起寄生电感，对MTO的开关性能和可靠性产生不良影响。若将p沟道MOSFET直接集成在GTO芯片上，则可消除寄生电感。如图3-69所示，在GTO阴极侧集成了一个p沟道MOSFET^[66]，并且开通门极与关断门极合二为一。当门极G加上正电压时，门极电流会触发p₁n₁p₂n₂主晶闸管开通；当门极加上负电压时，MOSFET开通，p₂基区的空穴经过MOSFET的p沟道区流入阴极（图中虚线所示），使GTO的门阴极J₃结截止，于是GTO关断变为p₁n₁p₂晶体管的关断。

图3-69 集成化MTO结构

集成化MTO结构虽可改善MTO开关性能和可靠性，但工艺难度较大，无法获得像分立器件那样的成品率。目前，基于硅-硅直接键合（SDB）技术，已开发出了双栅MTO结构^[66-68]，如图3-70所示。它是将几个并联的p沟道MOSFET芯片与一个具有pnp结构的芯片键合在一起，形成一个准集成的器件。其中MOSFET的n体区相当于晶闸管的阴极发射区。开通时，用G_on来触发，与GTO相同。导通期间，阳极电流会流过MOSFET中的体二极管。关断时，用G_off来触发阴极MOSFET导通，相当于门阴极J₃结短路，于是MTO关断如同一个基极开路的pnp晶体管。DG-MTO关断时，上下两侧的MOSFET开通，内部过剩载流子可从两侧门极移除，几乎无拖尾电流。由此可知，这种准集成器件的工作完全类似于一个全集成器件，但它允许MOSFET和晶闸管结构分开来制造，使制作工艺大大简化。

图3-70 基于硅-硅直接键合（SDB）技术的MTO新结构

5.特点及应用

MTO关断比较容易，只需要一个电压信号就可关断数千安的电流。与ETO相同，MTO导通也需要一个额外的电源控制。MTO可用于中电压（＞2.3kV）驱动器、有源滤波器、逆变器及静止同步补偿器（STATCOM）、大功率UPS及固态断路器。目前，已有6kV/ϕ53mm的MTO报道，MTO、ETO和IGCT一起可以代替GTO能成为大功率变流器的首选器件。