雙向雙極結(jié)技術(shù)的力量

B-Tran 等半導(dǎo)體電源開(kāi)關(guān)是各種高效和清潔能源應(yīng)用的電源轉(zhuǎn)換中的關(guān)鍵組件。這些應(yīng)用包括電動(dòng)汽車(chē)、可再生能源發(fā)電、儲(chǔ)能、固態(tài)斷路器 (SSCB) 和電機(jī)驅(qū)動(dòng)。提高半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)元件的效率和性能可以帶來(lái)廣泛的好處，提高經(jīng)濟(jì)性并加速這些應(yīng)用的部署。

B-Tran 等半導(dǎo)體電源開(kāi)關(guān)是各種高效和清潔能源應(yīng)用的電源轉(zhuǎn)換中的關(guān)鍵組件。這些應(yīng)用包括電動(dòng)汽車(chē)、可再生能源發(fā)電、儲(chǔ)能、固態(tài)斷路器 (SSCB) 和電機(jī)驅(qū)動(dòng)。提高半導(dǎo)體功率開(kāi)關(guān)元件的效率和性能可以帶來(lái)廣泛的好處，提高經(jīng)濟(jì)性并加速這些應(yīng)用的部署。

B-Tran結(jié)構(gòu)和工作模式

要了解 B-Tran 的工作原理，我們首先需要了解絕緣柵雙極晶體管 (IGBT) 的工作原理。當(dāng)開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，電流流過(guò)正向偏置二極管，導(dǎo)致器件電阻顯著降低，并允許它以較低的電壓降傳導(dǎo)較高的電流水平。這稱(chēng)為“電導(dǎo)調(diào)制”。

但是，IGBT 的關(guān)斷時(shí)間比 MOSFET 慢，因?yàn)楫?dāng)器件導(dǎo)通時(shí)，額外的電荷載流子會(huì)填充 P 區(qū)。當(dāng)打開(kāi)開(kāi)關(guān)以關(guān)閉設(shè)備時(shí)，這些電荷載流子無(wú)處可去，設(shè)備保持部分導(dǎo)電狀態(tài)，這需要很長(zhǎng)時(shí)間才能關(guān)閉。為了加快關(guān)斷過(guò)程，在制造過(guò)程中故意引入了缺陷，但這也會(huì)增加導(dǎo)通狀態(tài)下的電壓降。因此，在低導(dǎo)通電壓降和關(guān)斷時(shí)間之間存在權(quán)衡，較長(zhǎng)的關(guān)斷時(shí)間會(huì)導(dǎo)致較高的開(kāi)關(guān)損耗。

B-Tran 是一種晶體管，每側(cè)都有兩個(gè)控制開(kāi)關(guān)，可提高其性能和可靠性。B-Tran 與 IGBT 的結(jié)構(gòu)類(lèi)似，以輕摻雜襯底作為漂移區(qū)，兩側(cè)重?fù)诫s區(qū)作為發(fā)射極，具有基于發(fā)射極（E1 和 E2）和少數(shù)載流子注入器（B1）的三種模式和 B2)。

圖 1：B-Tran 的不同模式（：Ideal Power Inc.）

關(guān)閉模式：在圖 2(a) 中，高壓 (1,200 V) 施加到頂部發(fā)射極 E1，而下方注入器 B2 接地。E1 和 B2 之間形成的耗盡區(qū)阻擋高壓，防止其流過(guò)晶體管。

開(kāi)啟模式：在圖 2(b) 中，將 1 V 的正驅(qū)動(dòng)偏壓施加到頂部噴油器 B1-E1。這種偏壓注入導(dǎo)致少數(shù)載流子的載流子密度增加，然后注入漂移區(qū)。結(jié)果，由于 N 漂移區(qū)中載流子密度的增加，頂部 E1 和底部 E2 之間的電阻顯著降低。

預(yù)關(guān)斷模式：為了降低B-Tran的關(guān)斷損耗，需要一個(gè)預(yù)關(guān)斷階段。該階段涉及將頂側(cè)和底側(cè)（B1-E1 和 B2-E2）的基極和發(fā)射極端子短路，如圖 2(c) 所示。這種短路導(dǎo)致 B1 上的驅(qū)動(dòng)電流減小到零。因此，重組過(guò)程被強(qiáng)制執(zhí)行，這減少了存儲(chǔ)的電荷并有助于化關(guān)斷損耗。

B-Tran 性能和模擬

圖 2：（a）符號(hào)；(b) 真正的 B-Tran；(c) B-Tran 特性（：Ideal Power Inc.）

圖 2(a) 是 B-Tran 的符號(hào)表示，圖 2(b) 顯示了 B-Tran 的物理結(jié)構(gòu)。圖 2(c) 說(shuō)明了器件的雙向工作特性。它有兩個(gè)控制輸入（B1 和 B2），可以阻斷正極和負(fù)極的電壓，同時(shí)還可以雙向傳導(dǎo)電流。除了其雙向功能外，它還可用于單向應(yīng)用，如電壓源逆變器或電池充電器。

圖 3：(a) 電流從 E1 流向 E2；(b) 電流從 E2 流向 E1（：Ideal Power Inc.）

該原理圖包括兩個(gè)具有低 R DS(on) (< 3mΩ) 的共源共柵 MOSFET（Q1 和 Q2），可用作正常關(guān)斷開(kāi)關(guān)，類(lèi)似于 IGBT。這些 MOSFET 可以在關(guān)斷狀態(tài)下阻斷高壓，并在導(dǎo)通狀態(tài)下以低損耗傳導(dǎo)大電流。然而，它們不具備高能量轉(zhuǎn)換能力。圖 4(a) 中的設(shè)置是在電流從高側(cè)流向低側(cè) (E1 至 E2) 時(shí)測(cè)試的，而圖 4(b) 中的設(shè)置是在電流從低側(cè)流向高側(cè) (E2) 時(shí)測(cè)試的至 E1)。作為 DPT 的一部分，電感器 (L1) 和快速恢復(fù)二極管 (D1) 跨接在電感器兩端。

圖 4：晶圓級(jí)測(cè)量擊穿電壓曲線(xiàn)和正向壓降 V EE(on)與電流 I E(A)（：Ideal Power Inc.）

利用吉時(shí)利大功率測(cè)試系統(tǒng)對(duì)B-Tran進(jìn)行初步測(cè)量。為了測(cè)量擊穿電壓和漏電流，在觀(guān)察電流的同時(shí)增加器件兩端的電壓。測(cè)量表明擊穿電壓為 1,280 V。發(fā)射極-發(fā)射極飽和電壓和電流增益 (β) 也分別確定為 0.6–0.8 V 和 7。該圖顯示了三個(gè)基射極電壓 (V BE )值的輸出特性。該器件需要大約 1 V 的基極偏置電壓才能開(kāi)啟。此外，正向壓降 V E1E2(on)和輸出電流 (I E1）對(duì)于每個(gè)基極 - 發(fā)射極電壓。換句話(huà)說(shuō)，隨著輸出電流的增加，正向壓降也以線(xiàn)性方式增加。

B-Tran 應(yīng)用程序

B-Tran 在各個(gè)領(lǐng)域都有實(shí)用性，包括但不限于電動(dòng)汽車(chē)、可再生能源生產(chǎn)、儲(chǔ)能、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和 SSCB。

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

在 SSCB 中發(fā)揮關(guān)鍵作用的 B-Tran 的基本特性是其傳導(dǎo)特性和正向壓降，可有效減少斷路器中的功率損耗?；?IGBT 和基于 B-Tran 的電路之間的比較得出結(jié)論，當(dāng)負(fù)載電流為

矩陣轉(zhuǎn)換器

圖 6：使用 B-Tran 開(kāi)關(guān)的三相矩陣轉(zhuǎn)換器（：Ideal Power Inc.）

如果轉(zhuǎn)換器使用 B-Tran 器件，則只需要其中的 9 個(gè)，而基于碳化硅 MOSFET、硅 MOSFET 或反向阻斷 IGBT 的轉(zhuǎn)換器將需要 18 個(gè)器件，如果雙向開(kāi)關(guān)（BDS）則需要 36 個(gè)器件) 使用 IGBT 和快速二極管。為了產(chǎn)生具有所需幅度和頻率的可變輸出電壓，需要一組 BDS 將三相電源直接連接到矩陣轉(zhuǎn)換器中的三相負(fù)載。這種設(shè)置通常用于電梯、自動(dòng)扶梯和軋機(jī)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)，以及用于智能電網(wǎng)的光伏 (PV)、風(fēng)能和燃料電池功率轉(zhuǎn)換系統(tǒng)等可再生能源應(yīng)用。

B-Tran 拓?fù)涫且环N新型功率半導(dǎo)體拓?fù)洌c現(xiàn)有技術(shù)相比具有顯著優(yōu)勢(shì)。通過(guò)仿真，它展示了類(lèi)似于 MOSFET 的低損耗快速開(kāi)關(guān)、類(lèi)似于 IGBT 的高電流密度和類(lèi)似于雙極結(jié)型晶體管的低正向壓降。此外，B-Tran 具有獨(dú)特的雙向特性。在變頻驅(qū)動(dòng)、電動(dòng)汽車(chē)牽引驅(qū)動(dòng)、光伏逆變器和風(fēng)能轉(zhuǎn)換器等功率轉(zhuǎn)換器中使用 B-Tran 可能會(huì)提高效率和系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。