EPFL研究人员开发的晶体管可以大幅降低大功率系统中的电阻并减少散热量。功劳:EPFL电力转换器是让电力变得如此神奇的鲜为人知的系统。它们能让我们插上电脑、灯和电视，然后很快打开它们。转换器将从墙壁插座中流出的交流电转换成电子设备所需的直流电(DC)。但是在这个过程中，他们平均会损失高达20%的能量。功率转换器通过使用功率晶体管来工作，功率晶体管是设计用来开关和承受高电压的微小半导体元件。设计新颖的功率晶体管来提高转换器的效率是EPFL发动机工程师团队的目标。凭借全新的晶体管设计，基于纳米级结构在高压应用中的反直觉应用，转换过程中损失的热量少得多，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。他们的发现刚刚发表在《自然电子》杂志上。
转换器中的散热是由高电阻等因素引起的，这是电力电子器件中最大的挑战。该论文的合著者、EPFL电力实验室的负责人埃利森·马蒂奥利说:“我们每天都会看到电力损耗的例子，比如当你笔记本电脑的充电器变热时。
这在高功率应用中成为更大的问题。“半导体元件的标称电压越高，电阻越大，”他补充道。例如，电力损耗缩短了电动汽车的续航里程，降低了可再生能源系统的效率。
马蒂奥利和他的博士生卢卡·内拉以及他们的团队开发了一种晶体管，可以大大降低大功率系统中的电阻和散热量。更具体地说，它的电阻不到传统晶体管的一半，而保持电压超过1000伏。EPFL技术结合了两项关键创新。
第一种方法是在组件中建立几个导电通道，以分配电流——很像在高速公路上增加新车道，让交通更加顺畅，防止交通堵塞。“我们的多通道设计分流了电流，减少了电阻和过热，”内拉说。
第二项创新涉及使用氮化镓制成的纳米线，氮化镓是一种半导体材料，非常适合电力应用。纳米线已经用于低功耗芯片，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1000伏以上的电压而不会击穿。
由于这两项创新的结合——允许更多电子流动的多通道设计和增强纳米线电阻的漏斗结构——晶体管可以在高功率系统中提供更高的转换效率。“我们用倾斜纳米线制造的原型的性能是文献中最好的氮化镓功率器件的两倍，”马蒂奥利说。
虽然工程师的技术还处于试验阶段，但大规模生产应该不会有任何重大障碍。“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晶体管的两倍，”马蒂奥利说。这个团队已经为他们的发明申请了几项专利。
随着电动汽车被越来越广泛地采用，对能够在高电压下高效工作的芯片的需求将会激增，因为更高效的芯片会直接转化为更长的续航里程。几家主要制造商已经表示有兴趣与马蒂奥利合作，进一步开发这项技术。
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