基于导通延迟补偿的并联MOS栅控晶闸管均流方法研究

袁榕蔚，刘 超，陈万军

（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

脉冲功率系统可以在极短的时间（微秒或者纳秒量级）内产生兆瓦级别的瞬时高功率，因此被广泛应用于粒子加速、废气废水净化、食品加工等诸多领域[1-3]。其中脉冲功率开关是脉冲功率系统的核心组成部分，具有高阻断电压、高峰值电流、高di/dt能力，其开关性能直接影响脉冲系统的输出特性，是脉冲功率技术的重要研究方向之一[4]。

在电力电子领域众多电力半导体器件之中，绝缘栅双极性晶体管（Insulate-Gate Bipolar Transistor，IGBT）是当今发展较为迅速的全控型半导体开关器件，应用较为广泛。但如果应用在高di/dt和高峰值电流的条件下，IGBT就很难满足应用要求。MOS栅控晶闸管(MOS-Controlled Thyristor，MCT)无疑是更好的选择，它既有MOS电压控制、驱动电路简单、开关速度高、开关损耗小的优点，又有晶闸管的高di/dt、低导通电阻等优点，因此更适合使用在脉冲系统当中。一种阴极短接的MOS控制晶闸管 (Cathodic Short MOS-Controlled Thyristor，CS-MCT)相对于常规MCT表现出更好的脉冲性能[5-7]。

CS-MCT相对于其他的功率器件具有较好的脉冲特性，针对CS-MCT的dv/dt耐量和串联方面也做了广泛的研究[8-9]。但在脉冲功率系统对脉冲电流的需求不断提高的情况下，单个器件的脉冲电流已经难以满足应用的要求，CS-MCT的并联就是一种快速有效的解决方案。但与IGBT不同，CS-MCT在开启后脉冲宽度很短，一般在纳秒量级。这就使得并联的器件如果导通延迟不同，会有大量电流流经优先导通的器件，导致模块负荷分配不均，电流较大的器件加速老化和损坏，降低系统的稳定性，因此解决CS-MCT并联均流问题是必要的。

2 导通延迟仿真分析

2.1 栅电阻对MCT导通延迟的影响分析

影响MCT均流的因素有很多，主要可以分成两类，一类影响器件的静态均流，另一类主要影响器件的动态均流。静态不均流是指器件在开启之后的电流分布不均，造成的原因主要是器件的导通电阻不相同，温度和支路电感分布不均；动态不均流是指器件开启瞬间的不均流情况。造成的原因与栅驱动电阻、栅极电感、阈值电压和栅极驱动信号有关。下文重点分析栅驱动电阻对器件均流的影响。

图1中Vg为栅极驱动信号的输出电压，仿真和实验中脉冲信号为10 V，周期10 s，脉冲占空比为0.05%。Rg为栅驱动电阻，Cin为栅驱动电路电容。Rs为驱动回路的寄生电阻和器件固有的栅电阻，Ls为驱动电路的寄生电感。Cin栅极输入电容由Cgs和Cgd构成，需要对电容充电达到阈值电压后栅电器件开启，所以充电前后边界条件如式（1）所示。

图1 4颗CS-MCT并联时驱动回路电路

其中驱动回路寄生电感较小，同时对栅电容充电，由于绝缘的氧化层存在，栅电流iGSS很小，所以，diGSS/dt也很小，驱动回路寄生电感电压如式（2）所示。

所以第一级驱动电路储能电容两端电压随时间的关系为一阶零状态响应，电容两端电压关系如式（3）所示。

设ΔT为脉冲信号上升阈值电压所需的时间，通过式（3）可以得到的上升时间ΔT见式（4），可以看出，多个器件并联时使得器件的栅压同时到达阈值电压，这与栅电阻、栅电容、器件的阈值电压有关，同时要保证驱动回路的对称性。

在不添加栅驱动电阻时，即Rg=0Ω，外电路设计时保证了4条支路的驱动寄生电感相同，这时的ΔTD(on)见式（5），如果4颗器件的一致性不好，特别是器件固有的栅电阻不同，就会导致4颗器件导通延迟不同，开启不同步。

为定义并联器件的电流均匀性程度，引入均匀度概念，均匀度定义为通过并联器件最大的电流与最小的电流之差与总电流之比，均匀度公式如式（6）所示，通过该定义可以较好地描述并联器件电流的均匀性。

图2是在1200 V、0.68μF下不同栅驱动电阻的脉冲放电特性曲线。器件T1到T4的栅驱动电阻分别为10Ω、20Ω、30Ω、40Ω，其他静态参数均相同。通过图2可以看出，随着栅电阻的增大，器件的栅阴极之间的电压上升速率减慢，因此栅驱动电阻小的器件更早达到阈值电压，其开启的时间相较其他器件更短，储能电容上的电荷会优先通过更早开启的器件，造成电流分配不均。仿真结果也如式（4）所示。表1是1200 V下不同栅电阻的导通延迟和峰值电流大小，栅驱动电阻越大的器件导通延迟更大，开启的越晚，峰值电流越小，可见栅电阻对器件均流影响较大。

表1 1200 V下不同栅驱动电阻的CS-MCT脉冲特性参数

图2 1200 V下不同栅电阻CS-MCT并联的脉冲放电曲线

2.2 MCT均流策略

图3是改变栅驱动电阻补偿器件的导通延迟，从而对具有不同固有栅电阻的器件进行均流处理后的脉冲曲线。通过增加4颗器件T1、T2、T3、T4的栅驱动电阻，增加量分别为30Ω、20Ω、10Ω、0Ω，Cin都是1 nF，从而使得器件的栅电阻（器件的固有栅电阻和外电路的栅驱动电阻）均相同，保证器件同时开启。由图3的仿真结果可见，在栅驱动电阻增加过程中栅极信号充电速度减慢，延迟时间增大，增加器件的开启延迟，使得4颗原本开启不一致的器件同步开启，从而改善了器件并联的均流特性。表2为导通延迟补偿后的脉冲参数，相比于补偿之前，电流并联的均匀性有很大的改善。

图3 导通延迟补偿后的脉冲特性曲线

表2 导通延迟补偿后脉冲特性参数

3 均流策略测试验证

脉冲放电测试原理图如图4所示，通过直流电源对储能电容进行充电，R0为保护电阻，通过较长时间充电完成后，信号发生器产生脉冲信号，器件开启，在极短的时间内将产生较大的脉冲电流。

图4 脉冲放电测试原理

图5是一个CS-MCT在1500 V下的单独脉冲测试结果，储能电容为3μF，此时的脉冲电流为15840 A，该器件在提高直流电源的电压后器件发生失效，通过万用表测试，发现器件的阴阳极电阻耐压过低，栅极与栅阴极之间电阻过低，说明栅极部分损坏，失去控制能力，从实验现象看，失效原因是由于阳极电流过大，脉冲电流流经CS-MCT产生的功耗过大，导致器件的栅极失去控制能力，导致器件失效。

图5 1500 V下单独MCT脉冲测试波形

即使同一批次器件的特性也存在差异，对大量器件进行静态参数测试，发现其中CS-MCT栅电阻大量分布在3.5～4.5Ω之间，有个别器件的栅电阻大于5Ω，当这些栅电阻较大的器件用在并联电路中时，这些器件开启较晚，导致流过其中的电流较小，而其他栅电阻较小的器件先开启，流过较大的电流，从而影响脉冲电路的可靠性，这些器件就需要做均流处理。表3为均流实验中CS-MCT的静态特性参数。

表3 并联均流实验中4颗器件的静态特性参数

图6为储能电容为4μF、不同阳极电压下4颗器件在导通补偿前后的支路脉冲峰值电流与平均电流之差的散点图和均匀度，可以看出补偿后的支路电流一致性有较大的改善，并联电流的均匀度导通补偿后相比于补偿前有明显的降低，说明导通补偿法可以较好地改善并联均流特性。后续将以1600 V下的脉冲测试为例进行分析。

图6 不同电压下各支路脉冲峰值电流与平均电流之差的散点图和均匀度

图7为1600 V下的4颗CS-MCT均流实验测试脉冲，储能电容为4μF。通过合理设计测试电路，保证外电路的影响因素如支路电感等保持相同，通过测试发现4颗器件的脉冲宽度基本保持一致，这说明4条支路的电感基本相同。此时4颗器件的总脉冲电流为21700 A，远超过单个CS-MCT的脉冲上限，可见并联可以显著提高器件的电流极限。

图7 导通延迟补偿前4颗CS-MCT的脉冲测试波形

通过前文的仿真分析可知，栅电阻会影响器件的导通延迟，而4号器件的导通延迟最大，1号器件的导通延迟最小，这个现象是由于栅电阻的不同：4号器件的栅电阻最大，器件的开启最晚，1号器件的栅电阻最小，器件的开启最早，这就导致了较多的电流流过1号，较少的电流流经4号器件，造成电流分布不均，影响电路的可靠性。以4号器件为基准电流，4颗器件的电流之比为1.48∶1.33∶1.22∶1。导通补偿前并联电流的均匀度为9.56%。

现对4颗器件进行栅电阻导通延迟处理，1600 V下栅电阻导通延迟后的测试结果如图8所示，由于4颗器件栅电阻不同导致导通延迟时间不一致，所以在4号器件栅极连接跳线，3号栅极串联1Ω驱动电阻，2号器件栅极串联2Ω驱动电阻，1号器件栅极串联3.3Ω驱动电阻。在经过串联栅驱动电阻后，4颗器件的导通延迟相较于均流之前一致性提高，同时4颗器件的脉冲峰值电流之间的差距相较于均流之前也有很大的改善，以4号器件为基准，4颗器件的电流之比为0.94∶0.98∶0.95∶1。导通补偿后并联电流的均匀度为1.62%。

图8 导通延迟补偿后4颗CS-MCT的脉冲测试波形

4 结论

本文以并联CS-MCT模块为分析对象，首先建立栅驱动电阻影响均流的数学模型，然后通过理论分析、仿真和实验验证发现，栅电阻通过影响器件的导通延迟时间，从而影响并联器件的电流均匀度。同时通过大电容并联试验，验证并联可以显著提高电流极限，最后通过栅电阻进行导通延迟，优化了由于器件的静态特性不一致造成的器件不均流，利用栅电阻导通延迟可以较好地优化器件的均流特性，简单可行，确保并联模块工作的可靠性。