新一代功率开关技术：B-TRAN

作为一种创新型解决方案，Ideal Power公司利用先进的双向双极晶体管(B-TRAN)，来应对功率转换方面的挑战。这种四象限功率开关，通过提供超低正向电压降、并最大限度地降低开关损耗，实现了卓越性能。

对于各种应用中的高效和清洁能源转换实现方案来说，半导体功率开关发挥着关键作用。而就实现高效率和低排放而言，在向更绿色的未来过渡的过程中，无论是电动汽车，还是可再生能源发电和储能，这些部件都至关重要。然而，传统的功率开关在最佳性能和效率的实现方面具有较大的局限性。

Ideal Power首席执行官Daniel Brdar在接受采访时表示：“我们的目标是开发一种技术，利用硅以及新兴的碳化硅，来优化高速双向开关”。B-TRAN在全球拥有70多项专利，为提高功率转换应用效率和有效性提供了一种很有前途的技术。

与SCR、IGBT和MOSFET等传统功率开关相比，B-TRAN提供了显著的性能改进。事实上，在硅测试过程中，B-TRAN在负载电流为30A时的V_CE(on)仅为0.6V，驱动功率仅为8.4W(1.2V×7A)，总功耗为26.4W，远低于IGBT。这些结果展示了B-TRAN在功率转换方面的巨大潜力。

Brdar解释了B-TRAN的独特性：“对于传统的半导体功率开关来说，是在单侧处理晶片。而B-TRAN则是在两侧处理晶片，所以晶片的两侧都有相同的特征，这些特征需要非常精准地对齐。”

器件结构

可以认为B-TRAN是功率半导体拓扑结构的发展极限。由于其性能、可靠性及效率的独特组合，它被认为是功率半导体拓扑结构演变的逻辑终点。

图1：不同器件(包括B-TRAN)的电子构造示意图。

图1所示为各种利用硅制成的电子器件。第一种被称为“开路式”，由纯硅制成，不用于导电，但非常适合绝缘应用。接下来，是由掺杂硅制成的电阻器，它可以抵抗由于添加了N型或P型杂质而导致的电流流动。二极管则是通过在P型电阻器的一个表面上添加N型材料的重掺杂层而形成的，使电流仅沿一个方向流动。MOSFET结合了电阻器和二极管的功能，并有一个在模式之间进行选择的开关。IGBT类似于MOSFET，但有一个来改变其行为的额外掺杂层。

图1中最后一个是B-TRAN，这是一种双向双极晶体管，两侧都配有控制器，以增强性能及固有的双向性。Brdar说：“通过晶片两侧的利用，将所有功能集成到一个芯片中，可以在不采用像传统双向电路那样的成对IGBT和二极管的情况下，构成双向开关。”

B-TRAN性能

图2：(a)B-TRAN符号；(b)B-TRAN实际外形；(c)B-TRAN参数规格。

图2显示了电路符号和器件外形及其双向操作特性。该器件有两个控制输入，可以阻断两极的电压，并在两个方向传导电流。这使得它特别适用于像功率逆变器或电池充电器这些类型的双向应用，当然，也可以用于单向应用。

“为适用需要更高开关速度的应用，正在开发一种真正的双向开关技术，例如，利用碳化硅就是一种选项”，Brdar说道。

然而，为了创建双向开关，两个MOSFET或两个IGBT加上两个二极管，必须以共射极配置连接，这显著增加了双向功率转换器的器件数量。

B-TRAN驱动器和DPT

图3：(a)测试电路；(b)带B-TRAN系统和电源板的驱动器板。

为测试B-TRAN的开关性能，使用了专门设计的双脉冲测试(DPT)系统。该系统由三个主要部分组成：电源及控制、驱动器和被测器件。B-TRAN测试系统框图如图3(a)所示。位于上方的发射极和基极分别被称为E1和B1，而下方的则被称为E2和B2。图3(b)所示为B-TRAN驱动器，由一个B-TRAN和一个专为测试开发的电源板组成。

图4：(a)从E1到E2的电流；(b)从E2到E1的电流。

为了测试双向开关，图4显示了特定电流方向的电路示意图。低R_DS(on)共源共栅MOSFET用于驱动B-TRAN，就像IGBT一样的常关开关。这些器件可以在其关断状态下阻挡高电压，并在其导通状态下以低损耗传导高电流。

“新方案的传导损耗还不及传统半导体的一半，”Brdar说，“新方案已实现了固态断路器等应用，其中真正提升设计的是其传导损耗。”电感器L1和连接在电感器两端的快速恢复二极管D1，也是DPT的一部分。

B-TRAN特性

B-TRAN管芯和封装器件的初始测量，利用的是Keithley高功率测试系统。击穿电压和漏电流的测量，是通过在监测电流的同时，升高器件两端的电压来实现的。测得的击穿电压为1280V，在1000V时漏电流为25µA，而在1200V时为45µA，这使得基本的稳态性能参数得到了验证。另外，发射极-发射极饱和电压和电流分别为0.6～0.8V和7A。

图5：不同V_BE条件下，正向压降V_EE(on)与输出电流I_E(A) 的关系。

对应三个不同V_BE时的输出特性如图5所示，表明每个V_BE的正向电压降V_E1E2(on)和输出电流(I_E1)之间几乎呈线性关系。当通过提高V_BE将更多的电流注入基极时，正向电压降显著减小。此功能允许通过改变基极-发射极电压来调制R_DS(on)。在相反的方向上获得的输出特性相同。

图6：在800V电压和14A电流条件下的DPT波形，(A)从E1到E2；(b)从E2到E1。

图6显示了800V/14A时的DPT波形。双向开关测试采用与图4所示相同的连接配置，不同之处在于，为了显示从E2端到E1端的电流，二极管(D1)和V_DC的极性需要反转。

图7：V_EE=800V和I_EE=14A时的DPT，(A)上升时间；(b)下降时间。

从图7所示的波形中可见，开启上升时间为70ns、关闭下降时间为400ns。标记为1、2、3、4分别代表发射极-发射极电压、控制信号、基极电流、发射极电流迹线。

B-TRAN应用

B-TRAN能够用作为双向开关，实现AC/AC转换。这使其适用于需要交流电源和负载之间双向功率传输的应用，包括电动汽车、可再生能源发电、储能、固态断路器和电机驱动器。

“如果想提高汽车的续航里程，利用B-TRAN是可以做到的，可以从电池中再获得8～10%的续航里程，而且这样做还不需要因采用碳化硅所带来的高昂成本，这使得两方面都会受益”，Brdar说道。

图8展示了一个典型的电动汽车动力系统，红色椭圆表示B-TRAN潜在用途的地方。

图8：B-TRAN在电动汽车动力系统中的应用。

B-TRAN还可以用于其他多个地方，如电机驱动器、数据中心的UPS系统、电梯、电动汽车充电器、太阳能和风能等可再生能源应用，以及智能电网的电力转换。

“已经看到不同行业和不同公司对该技术有很大兴趣，他们希望将这项新技术用于多种应用”，Brdar说，“我们需要做的是确保该产品可满足尽可能多的应用。”

B-TRAN引入了一种简单而创新的新型功率半导体拓扑结构。它融合了多种器件的优点，主要包括：MOSFET快速、低损耗开关；IGBT的高电流密度；还有BJT的低正向电压降。Brdar说：“最终，我们用一个器件替换了四个器件，其损耗大约是传统解决方案的一半；如果考虑双向情况的话，该损耗将会降到四分之一”。

此外，基于B-TRAN独特的双向性，使其能够用于交流链路转换拓扑结构。这在效率和系统经济性方面，为广泛的功率转换应用提供了显著优势，包括光伏逆变器、风力转换器、变频电机驱动器和电气化车辆牵引驱动器。

B-TRAN表现出对称的双向性能，在高达30A的大电流条件下，能够提供超过1200V的击穿电压和0.6V的导通电压降。与用于双向应用的现有功率半导体器件相比，B-TRAN具有相当低的传导和开关损耗。另外，还为B-TRAN开发了一种具有双面冷却能力的专用TO-264封装，并对双向驱动器进行了优化，以切换和控制双向电流传导。

“因为它是一种双面器件，采用了双面冷却。另外，由于功率效率更高，实际上一开始所产生的热量就更少了，”Brdar说，“正如人们所知，热量是各类电子产品的杀手。如果一开始产生的热量就少，再加上采用冷却非常均匀的双面冷却技术，最终得到的一定是一款效率高且不发热的器件”。

(参考原文：B-TRAN-ideal-powers-next-gen-power-switching-technology）

本文为《电子工程专辑》2023年10月刊杂志文章，版权所有，禁止转载。点击申请免费杂志订阅