双向双极结型晶体管 (B-TRAN) 是一种创新型的功率半导体设备，具有垂直对称、三层、四端子结构。其独特的操作原理允许在任一方向上实现非常低的导通状态电压降，并且能够在高电流密度下维持较低的电压降。B-TRAN 的关键特点在于它能够在关断时产生极低的损耗，其预计关断损耗大约是等效电压 IGBT 的 1/10。

B-TRAN 在功率半导体中的应用展现了巨大的潜力，特别是在需要低导通电阻和低关断损耗的高效能转换器中。由于其低导通电阻（约 1 mΩ·cm²）和较低的 Vce（约 0.2 V），它为电动汽车（EV）、可再生能源以及其他电力电子领域提供了更高的效率和更小的体积。

B-TRAN 结构及工作模式

B-TRAN 具有四个端子：集电极端（C）、发射极端（E）、集电极基极端（c 基极）和发射极基极端（e 基极）。它的工作模式包括以下几种：

1. 离开模式（Reverse Bias Diode Mode）
   在该模式下，B-TRAN 作为反向偏置二极管工作。C 基极开路，E 基极与发射极短路。在设备击穿时，C 基极的电压低于集电极电压约 40 V，从而使得控制基极的 MOSFET 尺寸小且成本低廉。E 基极与发射极短路可以有效避免高增益导致的击穿电压降低。

2. 二极管导通模式（Diode Conduction Mode）
   当 C 基极与集电极短路，E 基极开路时，B-TRAN 作为一个二极管或等效的 IGBT 工作。由于 B-TRAN 的高增益，大部分电流通过集电极流动，而不是通过 C 基极。这种模式下，Vce 的标称值大约为 0.9V，适合高电流密度的应用。

3. 晶体管导通模式（Transistor Conduction Mode）
   该模式通过断开 C 基极与集电极的连接，并将 C 基极连接到低功率电压源（约 0.65V），使得 Vce 从 0.9V 降至 0.15V（标称值为 0.2V）。此模式下，设备能够提供非常低的导通电压，适用于高效能的功率转换。

4. 预关闭模式（Pre-turn-off Mode）
   预关闭模式通过快速降低电荷载流子密度为器件完全关断做准备。该过程不到 0.5 μs，首先将 E 基极与发射极短路（约 400 ns），然后将 E 基极连接到低于发射极约 5V 的电压（约 100 ns）。这种模式能够有效减少关断过程中的损耗。

B-TRAN 的性能：基于模拟的分析

根据 Silvaco Atlas 中的模拟，650 V B-TRAN 在 25°C 下的关断仿真结果显示，设备在 200 A/cm² 的电流密度下，Vce 仅为 0.2V，增益为 15。该器件在 200A 至 300V 电压下的关断损耗为每单位 0.62mJ，相较于 650 V IGBT，关断损耗约为其 1/10。

B-TRAN 在电动汽车驱动中的应用

B-TRAN 还可以应用于电动汽车（EV）驱动系统，作为高效能的直流至三相双向转换器。与传统的 IGBT/二极管模块（如博世 MH6560C 模块）相比，B-TRAN 能显著减少芯片面积和损耗。在 200 A/cm² 电流密度和增益 15 的条件下，B-TRAN 仅需要传统模块 1/4 的芯片面积，且损耗约为常规模块的 1/5。

B-TRAN 在可再生能源系统中的应用

B-TRAN 的高开关效率和低损耗特性使其特别适合应用于风力涡轮机、太阳能光伏发电厂以及与电池存储结合的发电系统中。基于 B-TRAN 的电力转换器预计能够提供超过 99.4% 的效率，这对于提高可再生能源发电系统的整体效率具有重要意义。

结论

B-TRAN 作为一种新型的功率半导体器件，在电动汽车驱动系统、可再生能源转换器以及其他高效能电力电子应用中展现出巨大的应用潜力。通过其独特的工作模式和低损耗特性，B-TRAN 能够显著提高系统效率，减少体积和成本，为未来的电力电子设备带来更高的性能和更低的运行成本。