高压下也能实现高效电源转换 新型纳米晶体管将使电动汽车受益
原创
2021-04-01 15:14 星期四
财联社 黄君芝

财联社(上海,编辑 黄君芝)讯,电源转换器是一种鲜为人知的系统,它使我们能够插入电脑、电灯和电视机,并在瞬间将它们打开。转换器将交流电(AC)从墙上的插座转换成电子产品所需要的直流电(DC)。但在此过程中,它们也会损失平均高达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可以被设计用来开关电源,并能承受高电压。近期,瑞士洛桑联邦理工学院(EPFL)的研究人员设计出了一种全新的功率晶体管,可以帮助提高转换器的效率。

据悉,他们的新设计基于纳米级结构,在转换过程中损失的热量要少得多,使得这种晶体管特别适合电动汽车和太阳能电池板等高功率应用。研究成果也于近期发表在了著名科学期刊《自然电子学》上。

变频器的散热主要是由高电阻等因素造成的,这是电力电子设备面临的最大挑战。论文的共同作者、EPFL的POWERlab负责人Elison Matioli说,“我们每天都能看到电力损失的例子,比如笔记本电脑的充电器发热。在大功率应用中,这将成为一个更大的问题。”

“半导体元件的标称电压越高,电阻就越大。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。”他补充道。

Matioli和他的博士生Luca Nela以及他们的团队已经开发出了一种晶体管,可以大幅降低高功率系统的电阻和散热量。更具体地说,它的电阻还不到传统晶体管的一半,但而电压却能保持在1000V以上。

具体而言,EPFL技术包含了两项关键创新。首先,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。Nela指出,“我们的多通道设计分割了电流的流动,减少了电阻和过热。”

第二项创新是使用氮化镓制成的纳米线,这是一种理想的电力应用半导体材料。纳米线已经用于低功耗芯片,例如智能手机和笔记本电脑,而不是高压应用。POWERlab展示了直径为15纳米的纳米线和独特的漏斗状结构,使它们能够支持高电场和超过1000伏特的电压而不被击穿。

得益于这两项创新的结合:允许更多电子流动的多通道设计,以及增强纳米线电阻的漏斗结构,晶体管可以在大功率系统中提供更高的转换效率。Matioli表示,“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。”

虽然工程师们的技术仍处于实验阶段,但大规模生产应该不会有任何重大障碍。Matioli说,“增加更多的通道是一件非常简单的事情,而且我们的纳米线的直径是英特尔制造的小型晶体管的两倍大。”

随着电动汽车得到更广泛的应用,对能在高电压下高效运行的芯片的需求将会激增,因为更高效的芯片可以直接转换为更长的续航里程。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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