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 。
【新型纳米晶体管可在高电压下保持低温】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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