新的纳米晶体管在高电压下保持冷却 - 执行高效的电力转换

EPFL研究人员开发的晶体管可以大大降低电阻并降低大功率系统中的散热量。

功率转换器是鲜为人知的系统，使电力如此神奇。它们是允许我们插入我们的电脑，灯具和电视，并将它们打开。转换器将墙壁插座出来的交流电流（AC）变为我们的电子设备的精确电流（DC）。但他们平均也倾向于失去其在过程中能量的20％。

功率转换器通过使用功率晶体管 - 微型半导体元件，设计用于打开和关闭并承受高电压。设计新型电源晶体管以提高转换器的效率是EPFL工程师团队的目标。通过完全新的晶体管设计，基于纳米级结构对高压应用的逆行应用，在转换过程中损失了更少的热量，使晶体管尤其适合电动车辆和太阳能电池板等高功率应用。他们的调查结果刚刚发表在自然电子学中。

转换器的散热是由高电阻引起的，其中包括电力电子设备中最大的挑战。“我们每天看到电力损失的例子，例如当您的笔记本电脑充电器加热时，”Elison Matioli，纸张和EPFL的Powerlab的负责人。

这在大功率应用中变得更多。“半导体元件的标称电压越高，阻力越大，”他补充道。例如，功率损耗缩短了电动车辆的范围，降低了可再生能源系统的效率。

Matioli以及他的博士学生Luca Nela及其团队开发了一种晶体管，可以大大降低电阻并降低大功率系统中的散热量。更具体地，它具有常规晶体管的阻力不到一半，同时保持超过1000V的电压。EPFL技术包含两个关键创新。

第一个涉及将多个导电通道构建到部件中，以分配当前的流量 - 就像添加到高速公路的新车道一样，以允许流量更平稳地流动并防止交通堵塞。“我们的多通道设计分裂了电流的流动，降低了阻力和过热，”Nela说。

第二种创新涉及使用由氮化镓制成的纳米线，是一种适用于电力应用的半导体材料。纳米线已经用于低功耗芯片，例如智能手机和笔记本电脑的低功耗，而不是在高压应用中。PowerLAB的纳米线显示为直径为15nm和独特的漏斗状结构，使它们能够支持高电场，并且超过1000V的电压而不分解。

由于这两种创新的组合 - 允许更多电子流动的多通道设计，以及增强纳米线的电阻的漏斗结构 - 晶体管可以在大功率系统中提供更大的转换效率。“使用倾斜纳米线建造的原型表现了两倍，以及文献中最好的GaN电力设备，”Matioli说。

虽然工程师的技术仍处于实验阶段，但不应该有大规模生产的主要障碍。“添加更多通道是一种相当简单的物质，我们的纳米线的直径是英特尔制造的小晶体管的两倍，”Matioli说。该团队提出了几项本发明的专利。

随着电动车辆更广泛采用，可以在高压下高压执行的芯片的需求被设定为繁荣，因为更有效的芯片直接转化为更长的范围。有几家主要制造商对Matioli进行了兴趣，以进一步发展这项技术。

参考：L. Nela，J.Ma，C. Erine，P. Xiang，T.- Shen，V.Tileli，T. Wang，K. Cheng和E. Matioli，2021年3月25日，Nature Electronics.doi：
10.1038 / s41928-021-00550-8