用于SPIC的智能晶闸管器件研究

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晶闸管类型器件由于其自身的PNPN结构特点,具有很强的电流能力、很低的导通压降(VON)等特性,使其成为大功率电力电子领域非常引人瞩目的研究热点。然而,常规晶闸管器件的电流能力不可控,同时因为器件本身的正反馈特性,极易形成电流集中效应,从而导致器件的安全工作区域电压(SOA)很低。同时,部分栅控晶闸管类型的器件(如MCT)通常在关断时需要负压控制才能实现关断,这样增加了控制电路的难度和成本。针对这些问题,本论文结合晶闸管器件和MOS器件的特点,提出了一种新型分流控制的智能功率晶闸管器件(Smart Thyristor),其主要的创新点和性能提升如下:结合常规晶闸管器件和MOS器件的特点,以及MOS结构的恒流源应用,并且利用对电子电流和空穴电流的分流控制原理提出一种新型晶闸管结构。相比于常规晶闸管器件,Smart Thyristor器件在高电压大电流工作模式下具有高的SOA和栅控恒流特性,改善了器件的折衷关系,极大的提升了晶闸管类型器件的性能。在温度为300 K和400 K时,Smart Thyristor器件的SOA相比于常规IGBT分别提升了11.4%和19%。短路能力相比于IGBT提升了11%。在关断损耗同为20 mJ/cm2时,Smart Thyristor器件的导通压降VON比IGBT的导通压降性能提升了约30%,VON-Eoff折衷关系明显优于IGBT。在上述基础上,通过在器件内部引入集成的NMOS器件并利用其固有的特点,大幅度的提升了器件的开启速度,与MCT相比,Smart Thyristor器件的开启速度提升了45%。同时,器件内部还引入集成的PMOS管,在关断过程中抽取过剩载流子,实现器件的快速关断,并且利用器件结构内部的钳位效应,使得器件无需负压就能实现快速关断,大大降低了控制电路的设计难度和复杂性。与MCT和IGBT相比,Smart Thyristor器件的关断速度分别提升了9.5%和17.5%。
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