電源轉(zhuǎn)換器是鮮為人知的系統(tǒng)，它讓電力變得如此神奇。它們讓我們能夠插入電腦、電燈和電視機(jī)，并在瞬間將它們打開。轉(zhuǎn)換器將墻上插座中的交流電(AC)轉(zhuǎn)化為我們電子產(chǎn)品所需的直流電(DC)。但在這個過程中，它們也會平均損失20%的能量。
功率轉(zhuǎn)換器的工作原理是使用功率晶體管，這些微小的半導(dǎo)體元件被設(shè)計成可以開關(guān)和承受高電壓。設(shè)計新穎的功率晶體管以提高轉(zhuǎn)換器的效率是EPFL工程師團(tuán)隊的目標(biāo)。全新晶體管設(shè)計基于納米級結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)換過程中損失的熱量要少得多，使晶體管特別適合電動汽車和太陽能電池板等高功率應(yīng)用。他們的研究成果剛剛發(fā)表在《自然電子學(xué)》上。
轉(zhuǎn)換器的散熱是由高電阻等因素造成的，這是電力電子器件的最大挑戰(zhàn)。"我們每天都能看到電能損耗的例子，比如當(dāng)你的筆記本電腦的充電器發(fā)熱時，"論文的共同作者、EPFL的POWERlab負(fù)責(zé)人Elison Matioli說。在大功率應(yīng)用中，這就更成為一個問題。"半導(dǎo)體元件的標(biāo)稱電壓越高，電阻越大，"他補(bǔ)充道。例如，功率損耗會縮短電動汽車的行駛里程，并降低可再生能源系統(tǒng)的效率。
Matioli和他的博士生Luca Nela以及他們的團(tuán)隊一起開發(fā)了一種晶體管，可以大幅降低電阻，并削減大功率系統(tǒng)的散熱量。更具體地說，它的電阻不到傳統(tǒng)晶體管的一半，而電壓卻能保持在1000V以上。
EPFL技術(shù)包含了兩項關(guān)鍵創(chuàng)新。第一個是在元件中建立幾個導(dǎo)電通道，以便分配電流--就像在高速公路上增加新的車道一樣，讓交通更加順暢，防止交通堵塞。"我們的多通道設(shè)計分割了電流的流動，減少了電阻和過熱，"Nela說。
第二項創(chuàng)新涉及使用氮化鎵制成的納米線，這是一種非常適合電力應(yīng)用的半導(dǎo)體材料。納米線已經(jīng)用于低功耗芯片，如智能手機(jī)和筆記本電腦中的芯片，而不是用于高電壓應(yīng)用。POWERlab展示了直徑為15納米的納米線，其獨(dú)特的漏斗狀結(jié)構(gòu)使其能夠支持高電場，以及超過1000V的電壓而不被擊穿。
得益于這兩項創(chuàng)新的結(jié)合，多通道設(shè)計使更多的電子得以流動，漏斗結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了納米線的電阻，晶體管可以在大功率系統(tǒng)中提供更高的轉(zhuǎn)換效率。"我們使用傾斜納米線打造的原型機(jī)的性能是目前最好的GaN功率器件的兩倍，"Matioli說。
雖然工程師們的技術(shù)還處于實驗階段，但大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)該不會有什么大的障礙。"增加更多的通道是一件相當(dāng)瑣碎的事情，我們的納米線的直徑是英特爾制造的小型晶體管的兩倍。"Matioli說。該團(tuán)隊已經(jīng)為他們的發(fā)明申請了多項專利。
隨著電動汽車的廣泛應(yīng)用，對能夠在高電壓下高效運(yùn)行的芯片的需求將蓬勃發(fā)展，因為更高效的芯片可以直接轉(zhuǎn)化為更長的續(xù)航里程。一些主要的制造商已經(jīng)表示有興趣與Matioli合作，進(jìn)一步開發(fā)這項技術(shù)。
