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新型纳米晶体管可在高电压下保持低温 电压却能保持在1000V以上
时间:2021-03-29 10:44:41

电源转换器是鲜为人知的系统,它让电力变得如此神奇。它们让我们能够插入电脑、电灯和电视机,并在瞬间将它们打开。转换器将墙上插座中的交流电(AC)转化为我们电子产品所需的直流电(DC)。但在这个过程中,它们也会平均损失20%的能量。

功率转换器的工作原理是使用功率晶体管,这些微小的半导体元件被设计成可以开关和承受高电压。设计新颖的功率晶体管以提高转换器的效率是EPFL工程师团队的目标。全新晶体管设计基于纳米级结构,在转换过程中损失的热量要少得多,使晶体管特别适合电动汽车和太阳能电池板等高功率应用。他们的研究成果刚刚发表在《自然电子学》上。

转换器的散热是由高电阻等因素造成的,这是电力电子器件的最大挑战。"我们每天都能看到电能损耗的例子,比如当你的笔记本电脑的充电器发热时,"论文的共同作者、EPFL的POWERlab负责人Elison Matioli说。在大功率应用中,这就更成为一个问题。"半导体元件的标称电压越高,电阻越大,"他补充道。例如,功率损耗会缩短电动汽车的行驶里程,并降低可再生能源系统的效率。

Matioli和他的博士生Luca Nela以及他们的团队一起开发了一种晶体管,可以大幅降低电阻,并削减大功率系统的散热量。更具体地说,它的电阻不到传统晶体管的一半,而电压却能保持在1000V以上。

EPFL技术包含了两项关键创新。第一个是在元件中建立几个导电通道,以便分配电流--就像在高速公路上增加新的车道一样,让交通更加顺畅,防止交通堵塞。"我们的多通道设计分割了电流的流动,减少了电阻和过热,"Nela说。

第二项创新涉及使用氮化镓制成的纳米线,这是一种非常适合电力应用的半导体材料。纳米线已经用于低功耗芯片,如智能手机和笔记本电脑中的芯片,而不是用于高电压应用。POWERlab展示了直径为15纳米的纳米线,其独特的漏斗状结构使其能够支持高电场,以及超过1000V的电压而不被击穿。

得益于这两项创新的结合,多通道设计使更多的电子得以流动,漏斗结构增强了纳米线的电阻,晶体管可以在大功率系统中提供更高的转换效率。"我们使用倾斜纳米线打造的原型机的性能是目前最好的GaN功率器件的两倍,"Matioli说。

虽然工程师们的技术还处于实验阶段,但大规模生产应该不会有什么大的障碍。"增加更多的通道是一件相当琐碎的事情,我们的纳米线的直径是英特尔制造的小型晶体管的两倍。"Matioli说。该团队已经为他们的发明申请了多项专利。

随着电动汽车的广泛应用,对能够在高电压下高效运行的芯片的需求将蓬勃发展,因为更高效的芯片可以直接转化为更长的续航里程。一些主要的制造商已经表示有兴趣与Matioli合作,进一步开发这项技术。

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