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

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电子性质。

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，它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，但却能保持1000伏以上的电压。EPFL技术包含两个关键的创新。

第一种方法是在组件中建立几个导电通道，以分配电流——就像在高速公路上增加新的车道，使交通更加顺畅，防止交通堵塞。“我们的多通道设计将电流分开，减少电阻和过热，”内拉说。

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大的转换效率。Matioli说:“我们用倾斜的纳米线建造的原型，其性能是文献中最好的氮化镓功率器件的两倍。”

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。”这个团队已经为他们的发明申请了几项专利。

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。

参考文献:L. Nela, J. Ma, C. Erine, P. Xiang, T.-H。Shen, V. Tileli, T. Wang, K. Cheng and E. Matioli, 2021年3月25日，电子性质。
DOI：10.1038 / S41928-021-00550-8