Автор AZoNano 26 марта 2021 г.

Преобразователи энергии – это малоизвестные системы, которые делают электричество таким волшебным. Это то, что позволяет нам подключать наши компьютеры, лампы и телевизоры и включать их в мгновение ока. Преобразователи преобразуют переменный ток (AC), который выходит из настенных розеток, в точный уровень постоянного тока (DC), который необходим нашей электронике. Но они также имеют тенденцию терять в среднем до 20% своей энергии в процессе.

Преобразователи мощности работают с использованием силовых транзисторов – крошечных полупроводниковых компонентов, предназначенных для включения и выключения и выдерживания высоких напряжений. Разработка новых силовых транзисторов для повышения эффективности преобразователей – цель группы инженеров EPFL.

Благодаря совершенно новой конструкции транзисторов, основанной на противоречивом применении наноразмерных структур для приложений высокого напряжения, в процессе преобразования теряется гораздо меньше тепла, что делает транзисторы особенно подходящими для приложений с большой мощностью, таких как электромобили и солнечные батареи. панели. Их результаты были только что опубликованы в Nature Electronics .

Рассеивание тепла в преобразователях вызвано, среди прочего, высоким электрическим сопротивлением, что является самой большой проблемой для силовых электронных устройств. «Мы видим примеры потерь электроэнергии каждый день, например, когда нагревается зарядное устройство вашего ноутбука», – говорит Элисон Матиоли, соавтор статьи и глава POWERlab EPFL.

Это становится еще более серьезной проблемой в приложениях с высокой мощностью. «Чем выше номинальное напряжение полупроводниковых компонентов, тем больше сопротивление», – добавляет он . Потери мощности сокращают запас хода электромобилей, например, и снижают эффективность систем возобновляемой энергии.

Матиоли вместе со своим аспирантом Лукой Нелой и их командой разработали транзистор, который может существенно снизить сопротивление и уменьшить рассеивание тепла в мощных системах. В частности, он имеет сопротивление вдвое меньше, чем у обычных транзисторов, и при этом выдерживает напряжение более 1000 В. Технология EPFL включает в себя два ключевых нововведения.

Первый включает в себя встраивание в компонент нескольких токопроводящих каналов для распределения потока тока – так же, как новые полосы, добавляемые к шоссе, чтобы обеспечить более плавное движение транспорта и предотвратить пробки. «Наша многоканальная конструкция разделяет ток, уменьшая сопротивление и перегрев», – говорит Нела .

Второе нововведение связано с использованием нанопроволок из нитрида галлия, полупроводникового материала, идеально подходящего для применения в энергетике. Нанопроволоки уже используются в микросхемах с низким энергопотреблением, например в смартфонах и ноутбуках, но не в высоковольтных устройствах.

POWERlab продемонстрировал нанопроволоки диаметром 15 нм и уникальную воронкообразную структуру, позволяющую им выдерживать высокие электрические поля и напряжения более 1000 В без разрушения.

Благодаря сочетанию этих двух нововведений – многоканальной конструкции, позволяющей протекать большему количеству электронов, и воронкообразной конструкции, которая увеличивает сопротивление нанопроволок, – транзисторы могут обеспечить большую эффективность преобразования в мощных системах. «Прототип, который мы построили с использованием наклонных нанопроволок, работает в два раза лучше, чем лучшие силовые устройства на основе GaN в литературе», – говорит Матиоли.

Пока инженерная технология все еще находится в экспериментальной фазе, не должно быть серьезных препятствий для крупномасштабного производства. « Добавление большего количества каналов – довольно тривиальное дело, а диаметр наших нанопроволок вдвое больше, чем у маленьких транзисторов, произведенных Intel», – говорит Матиоли . Команда подала несколько патентов на свое изобретение.

Спрос на микросхемы, которые могут эффективно работать при высоких напряжениях, резко возрастет по мере того, как электромобили становятся все более широко распространенными, поскольку более эффективные микросхемы напрямую переводятся в более длинные диапазоны. Несколько крупных производителей выразили заинтересованность в сотрудничестве с Matioli для дальнейшего развития этой технологии.

Источник: http://www.epfl.ch/index.en.html