B-Tran 等开关是各种高效和清洁能源应用的电源转换中的关键组件。这些应用包括电动汽车、可再生能源发电、储能、固态断路器 (SSCB) 和电机驱动。提高半导体功率开关元件的效率和性能可以带来广泛的好处，提高经济性并加速这些应用的部署。

B-Tran 等开关是各种高效和清洁能源应用的电源转换中的关键组件。这些应用包括电动汽车、可再生能源发电、储能、固态断路器 (SSCB) 和电机驱动。提高半导体功率开关元件的效率和性能可以带来广泛的好处，提高经济性并加速这些应用的部署。

B-Tran结构和工作模式

要了解 B-Tran 的工作原理，我们首先需要了解绝缘栅双极晶体管 (IGBT) 的工作原理。当开关闭合时，电流流过正向偏置二极管，导致器件电阻显着降低，并允许它以较低的电压降传导较高的电流水平。这称为“电导调制”。

但是，IGBT 的关断时间比 MOSFET 慢，因为当器件导通时，额外的电荷载流子会填充 P 区。当打开开关以关闭设备时，这些电荷载流子无处可去，设备保持部分导电状态，这需要很长时间才能关闭。为了加快关断过程，在制造过程中故意引入了缺陷，但这也会增加导通状态下的电压降。因此，在低导通电压降和关断时间之间存在权衡，较长的关断时间会导致较高的开关损耗。

B-Tran 是一种晶体管，每侧都有两个控制开关，可提高其性能和可靠性。B-Tran 与 IGBT 的结构类似，以轻掺杂衬底作为漂移区，两侧重掺杂区作为发射极，具有基于发射极（E1 和 E2）和少数载流子注入器（B1）的三种模式和 B2)。

图 1：B-Tran 的不同模式（：Ideal Power Inc.）

关闭模式：在图 2(a) 中，高压 (1,200 V) 施加到顶部发射极 E1，而下方注入器 B2 接地。E1 和 B2 之间形成的耗尽区阻挡高压，防止其流过晶体管。

开启模式：在图 2(b) 中，将 1 V 的正驱动偏压施加到顶部喷油器 B1-E1。这种偏压注入导致少数载流子的载流子密度增加，然后注入漂移区。结果，由于 N 漂移区中载流子密度的增加，顶部 E1 和底部 E2 之间的电阻显着降低。

预关断模式：为了降低B-Tran的关断损耗，需要一个预关断阶段。该阶段涉及将顶侧和底侧（B1-E1 和 B2-E2）的基极和发射极端子短路，如图 2(c) 所示。这种短路导致 B1 上的驱动电流减小到零。因此，重组过程被强制执行，这减少了存储的电荷并有助于化关断损耗。

B-Tran 性能和模拟

图 2：（a）符号；(b) 真正的 B-Tran；(c) B-Tran 特性（：Ideal Power Inc.）

图 2(a) 是 B-Tran 的符号表示，图 2(b) 显示了 B-Tran 的物理结构。图 2(c) 说明了器件的双向工作特性。它有两个控制输入（B1 和 B2），可以阻断正极和负极的电压，同时还可以双向传导电流。除了其双向功能外，它还可用于单向应用，如电压源逆变器或电池充电器。

图 3：(a) 电流从 E1 流向 E2；(b) 电流从 E2 流向 E1（：Ideal Power Inc.）

该原理图包括两个具有低 R DS(on) (< 3mΩ) 的共源共栅 MOSFET（Q1 和 Q2），可用作正常关断开关，类似于 IGBT。这些 MOSFET 可以在关断状态下阻断高压，并在导通状态下以低损耗传导大电流。然而，它们不具备高能量转换能力。图 4(a) 中的设置是在电流从高侧流向低侧 (E1 至 E2) 时测试的，而图 4(b) 中的设置是在电流从低侧流向高侧 (E2) 时测试的至 E1)。作为 DPT 的一部分，电感器 (L1) 和快速恢复二极管 (D1) 跨接在电感器两端。

图 4：晶圆级测量击穿电压曲线和正向压降 V EE(on)与电流 I E(A)（：Ideal Power Inc.）

利用吉时利大功率测试系统对B-Tran进行初步测量。为了测量击穿电压和漏电流，在观察电流的同时增加器件两端的电压。测量表明击穿电压为 1,280 V。发射极-发射极饱和电压和电流增益 (β) 也分别确定为 0.6–0.8 V 和 7。该图显示了三个基射极电压 (V BE )值的输出特性。该器件需要大约 1 V 的基极偏置电压才能开启。此外，正向压降 V E1E2(on)和输出电流 (I E1）对于每个基极 - 发射极电压。换句话说，随着输出电流的增加，正向压降也以线性方式增加。

B-Tran 应用程序

B-Tran 在各个领域都有实用性，包括但不限于电动汽车、可再生能源生产、储能、电机驱动和 SSCB。

图 5：使用 B-Tran 的 SSCB（：Ideal Power Inc.）

在 SSCB 中发挥关键作用的 B-Tran 的基本特性是其传导特性和正向压降，可有效减少断路器中的功率损耗。基于 IGBT 和基于 B-Tran 的电路之间的比较得出结论，当负载电流为

矩阵转换器

图 6：使用 B-Tran 开关的三相矩阵转换器（：Ideal Power Inc.）

如果转换器使用 B-Tran 器件，则只需要其中的 9 个，而基于碳化硅 MOSFET、硅 MOSFET 或反向阻断 IGBT 的转换器将需要 18 个器件，如果双向开关（BDS）则需要 36 个器件) 使用 IGBT 和快速二极管。为了产生具有所需幅度和频率的可变输出电压，需要一组 BDS 将三相电源直接连接到矩阵转换器中的三相负载。这种设置通常用于电梯、自动扶梯和轧机的电机驱动，以及用于智能电网的光伏 (PV)、风能和燃料电池功率转换系统等可再生能源应用。

B-Tran 拓扑是一种新型功率半导体拓扑，与现有技术相比具有显着优势。通过仿真，它展示了类似于 MOSFET 的低损耗快速开关、类似于 IGBT 的高电流密度和类似于双极结型晶体管的低正向压降。此外，B-Tran 具有独特的双向特性。在变频驱动、电动汽车牵引驱动、光伏逆变器和风能转换器等功率转换器中使用 B-Tran 可能会提高效率和系统经济性。