2.6 MOS门场控晶闸管（MCT）

MOS门场控晶闸管（MOS Gate Control Thyristor，MCT）是利用MOS门来控制晶闸管开通和关断的电力电子器件。它具有晶闸管的低通态压降特性，但其工作电流密度远高于IGBT和BJT。其导通di/dt和阻断du/dt能力非常高，可分别达到2000A/μs和20000V/μs，其工作结温可达150～200℃。目前已研制出3000V的高压MCT，并有很低的通态压降。MCT分为P-MCT和N-MCT两种。其中在大电流的应用中，通常使用P-MCT，而N-MCT则具有更大的安全工作区。与IGBT相比，MCT具有更明显的电导调制效应，在相同工作频率下具有更大的功率处理能力。但其关断过程的控制难度要比IGBT大，制作工艺也比IGBT复杂。

MCT家族中还有工作原理相同、结构略有不同的基区电阻可控晶闸管（BRT），以及在结构和关断方式上都略有差异的发射极自关断晶闸管（EST）和耗尽型MOS可控晶闸管（DMT）。BRT是利用MOS管沟道电阻的可控性来改变晶闸管的基区电阻；EST是靠MOS管的开关来改变晶闸管N发射区与阴极的连接状态；而DMT则是利用制作在晶闸管N基区的MOS结构在负栅压下产生的耗尽层来夹断电流。这些器件的潜力和发展前景，在于其通态压降比IGBT还要低，表2-5给出了MCT、BRT、EST及碳化硅场效应器件（SiCFET）在额定耐压均为600V条件下的有关数据。它们的开关损耗与开关频率之间的关系如图2-42所示。

表2-5 几种功率器件的特性参数

美国Harris公司推出第二代“P-MCT”、“N-MCT”等新型MCT结构。第二代“P-MCT”改善了正向压降与开关速度的关系，并使关断损耗降低了1/2～1/3。而“N-MCT”将以比“P-MCT”开关损耗降低50%、安全工作区高3%的优势取代“P-MCT”和部分IGBT的应用领域。为改善MCT的关断，人们又研制了沟槽MCT（Trench MCT，TMCT），如图2-43所示。它的开启能力比平面MCT更强。然而在此基础上发展起来的双栅沟槽MCT（DT-MCT）则是通过制作第二栅极和在P阳极上扩散高浓度N+区形成一个附加的MOSFET，利用这个MOSFET结构来控制普通MCT的阳极结注入。这样，就使器件在感应关断时的尾部电流能迅速地下降到零，其关断损耗可降低到单栅TMCT的1/10左右。对于MCT的研究，目前最高击穿电压已达5kV。

图2-42 几种功率器件的开关功率损耗与开关频率之间的关系

图2-43 沟槽MCT的结构剖面图

MCT即MOS门控晶闸管，这是一种处于新开发阶段的电力电子器件，目前已经显示出了极好的性能，在今后具有较强的竞争能力。

MCT能由门极很小的脉冲信号控制它的导通和关断。负电压脉冲控制它的导通，正电压脉冲控制它的关断，不过，对于MCT所说的电压脉冲极性是对其阳极而言，并不是对它的阴极。MCT的内部结构如图2-44所示，其等效电路和图形符号如图2-45所示。它也是类似晶闸管的PNPN四层三端结构，它寄生着PNP和NPN两个晶体管的再生反馈效应，触发器件导通。如果门极为正电压脉冲时，它短路了PNP晶体管的发射结，断开了再生反馈回路，使器件关断。其关断过程完全是N、P层中少数载流子的复合效应。

图2-44 MCT内部结构

图2-45 MCT等效电路及图形符号

a）MCT等效电路 b）图形符号

图2-44的结构仅是MCT内的一个微胞结构，实际上，在器件中并联了很多这样的微胞，因此它的结构相当复杂。但是，因为这种器件的频率可以与IGBT相比，并且导通压降更低，仅为1.1V，触发功率小，还可以运行在150℃甚至更高的温度。它的应用领域是交流电动机变频调速传动、UPS、静态功率因数补偿装置。