双向双极结型晶体管 (B-TRAN) 是功率半导体的一种新拓扑，具有垂直对称、三层、四端子结构，允许独特的操作方法，包括在任一方向上具有非常低的导通状态高电流密度下的电压降。
2-D 模拟显示 650 V B-TRAN，Vce 为 0.2 V，电流增益为 15，电流密度为 200 A/cm 2。后者的导通电阻仅为 1 m-ohm-cm 2。预计关断损耗约为等效电压 IGBT 的 1/10。为了在无需晶圆内键合的情况下生产这种薄型双面硅器件，标准厚度晶圆的传统表面处理与临时键合的“手柄”晶圆相结合。
装置结构及工作方式 图 1 显示了 B-TRAN 设备结构及其各种操作模式。极性是 NPN。少数载流子寿命超过 1,000 uS（未使用寿命抑制），从而产生非常低的漏电流。与 IGBT 类似，但与传统双极晶体管截然不同，它具有薄的表面扩散，可形成发射极和集电极以及宽基极，其中耗尽区在截止状态下形成。哪一侧是发射极，哪一侧是集电极仅由施加的电压或电流极性决定。
该器件的每一侧都有与基极区域的外部接触，这允许在外部控制下绕过发射极/基极和/或集电极/基极结。这反过来又允许器件在各种模式下运行，其中一些模式模拟现有器件（二极管、MOSFET 或 IGBT），而其中一些模式是 B-TRAN 独有的（“晶体管导通”、“预置”）。关”）。
集电极侧的基极接触被称为“c基极”，发射极侧的基极接触被称为“e基极”。
模式
离开
在此模式下，该器件是一个反向偏置二极管，c 基极开路，e 基极与发射极短路。在当前的 B-TRAN 设计中，器件击穿时，c 基极电压比集电极电压低约 40 V，因此控制基极连接的外部 MOSFET 的额定电压为 40 V，这使得这些 MOSFET 尺寸非常小、成本低廉，并且电阻非常低。需要将 e-基极与发射极短路，否则器件的高增益会导致击穿电压低。无源 e 基极钳位电路可用于在没有基极控制电源的情况下执行此功能。
二极管导通
在此模式下，c 基极与集电极短路，e 基极开路，器件作为二极管或等效的 IGBT运行。然而，由于 B-TRAN 具有高增益，因此通过器件的大部分电流流过集电极而不是 c 基极。只需反转设备上的电压，设备即可从关闭模式进入此模式。即使在高电流密度下，Vce 标称值为 0.9V。
晶体管导通
通过断开 c 基极与集电极的连接，并将其连接到标称 0.65 V 的低功率电压源，从二极管导通进入此模式。这会立即将 Vce 从约 0.9 V 降至低至 0.15 V（标称 0.2 V） 。可以实现低于 0.1V 的 Vce，但当 Vce 低于约 0.17V（25C 时）时，增益开始下降。
预关闭
该模式将电荷载流子密度降低了两个数量级，为器件完全关断做好准备，但完成时间不到 0.5 uS。首先，E 基极与发射极短路，持续时间标称为 400 nS，然后将 e-基极连接到低于发射极约 5 V 的电压，持续另外 100 nS，并在完全关断期间。
图 1：BTRAN 工作模式
BTRAN 性能 – 来自模拟
图 2 显示了在 Silvaco Atlas 中运行的 650 V B-TRAN 在 25 °C 下的关断仿真结果。另外，根据模拟，该器件在 200 A/cm 2 、 Vce 为 0.2 V 时的增益为 15。对于该 1 cm 2器件，在 200A 至 300V 电压下，每单位关断损耗为 0.62mJ，约为 1/10。 650 V IGBT 在相同条件下关闭。
650 V B-TRAN，200 A/cm^2，25 C 在预关断 0.6 uS 后关断
图 2：650 V B-TRAN、200 A/cm 2、25 C 预关断 0.6 uS 后关断
基于 B-TRAN 的电动汽车 (EV) 驱动
图 3 显示了可用于 EV 驱动器的基于基本 600 A、300 V B-TRAN 的直流至三相双向转换器。这可以与博世 (MH6560C) 的传统 IGBT/二极管模块进行比较。 B-TRAN 的传导损耗包括基本驱动功率。如表 1 所示，根据封装尺寸，博世模块的芯片面积估计为 12 cm 2 。 B-TRAN 在 200 A/cm 2电流密度和 15 增益下运行（在模拟中）。该分析表明，B-TRAN 仅需要 1/4 的芯片面积，并且损耗约为 1/5。常规模块。
* 数据表编号 – 但可能不包括换向器件的导通损耗，同时二极管仍具有正向电流。 B-TRAN 损失包括该损失。 B-TRAN 总反向恢复损耗必须小于模块，因为 B-TRAN 具有较低的峰值反向恢复电流
表 1：电动汽车驱动的传统与 B-TRAN – 25C
基于 BTRAN 的电动汽车驱动拓扑
图 3：基于 BTRAN 的电动汽车驱动拓扑
通过 PPSA 的三相至三相转换器
BTRAN 的交流开关特性非常适合 Ideal Power 的电源分组交换架构（图 4）。 BTRAN 的全功率转换效率预计将优于 99.4%，从而为风力涡轮机、太阳能光伏发电厂以及与电池存储相结合的此类发电厂中的可再生能源发电提供紧凑、风冷、低成本转换器。尽管经常与谐振链路转换器混淆，但 PPSA 转换器并不是谐振链路转换器，这一点可以从 Ideal Power 网站上的 PPSA 电路动画中看出。
基于 BTRAN 的 PPSA 三相至三相转换器
图 4：基于 BTRAN 的 PPSA 三相至三相转换器
