MCT与Clustered IGBT在大功率应用中的比较研究*

彭朝飞，陈万军，孙瑞泽，阮建新，张 波

（电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室，成都 610054）

1 引言

组合式绝缘栅双极晶体管（Clustered IGBT，简称为CIGBT）作为一种改进的IGBT器件，具有类似晶闸管的正向工作模式，从而减小了器件的正向压降[1～2]，而且独特的自钳位特性使得其具有正向电流饱和能力，从而提高了器件的安全工作区[3]。相比于传统IGBT器件，其在高压大功率应用中具有明显的优势。

而栅控晶闸管（MCT）作为最早提出的MOS控制晶闸管器件之一，具有极低的正向压降和极高的电流上升率，在脉冲功率应用中具有非常好的性能，而且一度被认为是最理想的功率半导体器件[4～5]。由于CIGBT与MCT在器件结构和工作原理上有很多相似之处，而对这两种器件在大功率应用中的比较研究还鲜有报道，因此本文对这两种器件在大功率环境下的电学特性进行了比较研究。

2 器件结构及静态特性

CIGBT和MCT的器件结构以及等效电路图如图1所示，本文采用新思科技公司的MEDICI软件作为仿真环境，两个器件的耐压等级均为3 300 V。器件的静态I-V特性如图2所示，从图中可以看出，在集电极电压相同时，MCT具有更高的电流密度，这是由于在相同的集电极电压下，MCT具有更剧烈的电导调制效应，使得器件漂移区产生更高的载流子密度，另外正向导通后CIGBT的电流受正面NMOS沟道的束缚，而MCT不存在这种限制。当电流密度为50 A·cm-2时，MCT和CIGBT的正向压降分别为1.3 V和2.6 V，并且都表现出正的温度系数。

图1 MCT和CIGBT的器件结构和等效电路图

实际上，MCT和CIGBT的集电极电流可以表达为：

其中，公式（1）中的Il表示MCT的势垒区电流，公式（2）中的IMOS表示CIGBT等效电路中NMOS2中流过的电流。可以看出，MCT具有更容易实现的闩锁条件，只需要使αNPN+αPNP趋近于1，而CIGBT则需要使αPNP1、αPNP2和αNPN都分别趋近于1。

两种器件的输出特性曲线如图3所示，由于MCT开启后，栅极失去控制作用，所以各栅压下输出曲线重合在一起，而CIGBT具有典型的电流饱和特性，这使得它具有更大的短路安全工作区。

图2 MCT与CIGBT在不同温度下的I-V特性

图3 MCT与CIGBT不同栅压下的输出特性曲线

3 关断特性

由于在开关应用中，器件的关断特性有着至关重要的作用，本文对这两种器件在感性负载下的关断特性进行了仿真比较，得到了器件在不同条件下的关断时间和关断能量。仿真中采用如图4所示的感性负载开关电路，器件的有源区面积和少子寿命分别为1 cm2和20 μs。器件关断波形如图5所示。从图中可以看出，MCT具有更长的关断时间，MCT的关断时间为2.5 μs，长于CIGBT的1.7 μs。

其实，这两种器件的关断过程可以简单地分为两个过程：集电极电压上升过程和集电极电流下降过程，这两个过程都与漂移区的载流子浓度密切相关。当栅电极接地或者施加一个负电压时，栅电容Cgs开始通过栅电阻Rg进行放电，同时栅电极电势开始降低，当Vgs＜Vth时，栅下的导电沟道消失，集电极电压开始上升，同时伴随着耗尽区的扩展，这就是集电极电压的上升过程。在这个过程中，由于负载电感的存在，集电极电流几乎保持不变。当集电极电压上升到等于线电压后，由于寄生电感的作用，会产生一个电压过冲，使得集电极电压超过线电压，这使得续流二极管导通，并开始从负载电感中分流，此时器件的集电极电流开始下降，同时伴随着漂移区剩余载流子的衰减，这就是集电极电流的下降过程。剩余载流子通过复合和抽取两种途径衰减，其中复合起主要作用。

图4 具有感性负载的开关仿真电路

图5 MCT和CIGBT在感性负载下的关断波形

国际上一般把器件的关断时间分为关断延迟时间td(off)和下降时间tf两部分，这两部分分别对应于上文提到的集电极电压上升过程和集电极电流下降过程。两个器件在不同少子寿命下的td(off)和tf如图6所示，在相同的少子寿命下，MCT具有更大的延迟时间和下降时间。可以看出，相对于关断延迟时间td(off)，下降时间tf受少子寿命的影响更大。这是由于td(off)主要取决于栅电阻的大小以及耗尽区的扩展速度，而tf主要取决于器件的少子寿命。在栅电阻确定时，造成二者td(off)差异的主要因素就是耗尽区的扩展速度，即集电极电压的上升速度dV/dt，dV/dt的大小主要取决于漂移区载流子的浓度，如公式（3）所示[5]。

式中，JA表示关断过程中集电极电流密度，p0表示关断时漂移区空穴载流子浓度，Ld表示漂移区厚度。由于两个器件Ld相同，且关断过程中JA基本相等，所以dV/dt主要决定于p0，图7给出了关断过程中不同时刻漂移区的载流子浓度。由于MCT的载流子浓度远高于CIGBT，所以它有更长的关断延迟时间，大约是其2.5倍。

下降时间tf取决于漂移区过剩载流子的浓度和衬底材料的少子寿命，当材料少子寿命相同时，由于MCT剩余载流子浓度高于CIGBT，所以MCT有更大的下降时间tf。由于MCT关断时间较长，且拖尾电流较大，因此相对来说CIGBT更适于高频应用。

图6 关断延迟时间和下降时间随少子寿命的变化情况

本文也针对不同电流密度下两种器件的关断能量Eoff进行了仿真，得到的仿真结果如图8所示。在小电流密度下，二者几乎具有相同的Eoff，因为此时漂移区载流子浓度没有太大的差别。但是，在更高的关断电流下，MCT的关断能量几乎是CIGBT的2倍，因为MCT具有更强的电导调制效应，从而漂移区产生更多的过剩载流子，这大大提高了其关断能量。图9给出了不同频率下单个开关周期内两个器件的总功耗，关断电流都为100 A。可以看出，由于MCT具有极低的正向压降，当频率低于1 kHz时，MCT具有更低的损耗。所以，MCT在频率低于1 kHz的应用中更具优势，而CIGBT更适用于高频应用。

4 脉冲放电特性

功率半导体器件在脉冲放电领域也发挥着越来越重要的作用，因此，本文对两种器件的脉冲放电特性进行了仿真，仿真电路如图10所示，电源电压为1 200 V。

图7 MCT和CIGBT在关断过程中不同时刻下漂移区

图8 不同关断电流下两种器件的开关损耗

图11为两种器件的脉冲放电波形，从图中可以看出，MCT的峰值电流远高于CIGBT，并且具有更快的电流变化速率（dI/dt能力）。MCT的峰值电流为16 kA，是CIGBT的8倍，dI/dt值为124.2 kA/μs，是CIGBT的5倍。由于MCT开启后完全处于晶闸管导通模式，在脉冲放电过程中可以产生足够的载流子，所以具有很大的峰值电流，并产生极高的dI/dt。而CIGBT虽然也工作在晶闸管模式，但是由于N-well的钳位作用，正向电流具有饱和现象，从而限制了其能够导通的最大电流，同时降低了dI/dt数值。

图9 不同开关频率下两种器件的开关损耗

图10 电容型脉冲放电测试电路

图11 MCT与CIGBT的脉冲放电波形

图12给出了在脉冲放电过程中不同时刻器件漂移区内的载流子浓度，可以看出MCT的载流子浓度具有更快的变化速度，而且在电流上升过程中没有出现饱和现象。同时，由于器件两端都产生了大注入效应，使得漂移区产生剧烈的电导调制效应。而对于CIGBT来说，由于电子电流受MOS沟道的控制，载流子浓度在上升到一定程度后就出现了饱和现象，限制了其电流变化率dI/dt。这就是两个器件的脉冲放电能力产生差异的根本原因。所以，相对于CIGBT，MCT更适用于大功率脉冲放电应用领域。

图12 MCT与CIGBT在脉冲放电过程中不同时刻下的载流子浓度变化

5 结论

本文仿真比较了两种应用于大功率环境的半导体器件——CIGBT和MCT，它们晶闸管的正向工作模式，使得在高压应用时仍然具有较低的正向压降，从而产生更低的功耗。感性负载的开关电路仿真结果表明CIGBT具有更小的关断时间和更低的关断能量，但是由于MCT具有极低的正向压降，因此，在频率低于1 kHz的场合，MCT具有更低的总功耗。脉冲放电仿真结果显示，得益于更强的电导调制效应，MCT具有更高的峰值电流和更强的dI/dt能力，分别是CIGBT的8倍和5倍，这使得MCT在大功率脉冲放电应用场合表现出更大的优势。

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