電源轉(zhuǎn)換器是鮮為人知的系統(tǒng)，它讓電力變得如此神奇。它們讓我們能夠插入電腦、電燈和電視機(jī)，并在瞬間將它們打開(kāi)。轉(zhuǎn)換器將墻上插座中的交流電(AC)轉(zhuǎn)化為我們電子產(chǎn)品所需的直流電(DC)。但在這個(gè)過(guò)程中，它們也會(huì)平均損失20%的能量。

功率轉(zhuǎn)換器的工作原理是使用功率晶體管，這些微小的半導(dǎo)體元件被設(shè)計(jì)成可以開(kāi)關(guān)和承受高電壓。設(shè)計(jì)新穎的功率晶體管以提高轉(zhuǎn)換器的效率是EPFL工程師團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)。全新晶體管設(shè)計(jì)基于納米級(jí)結(jié)構(gòu)，在轉(zhuǎn)換過(guò)程中損失的熱量要少得多，使晶體管特別適合電動(dòng)汽車(chē)和太陽(yáng)能電池板等高功率應(yīng)用。他們的研究成果剛剛發(fā)表在《自然電子學(xué)》上。

轉(zhuǎn)換器的散熱是由高電阻等因素造成的，這是電力電子器件的最大挑戰(zhàn)。"我們每天都能看到電能損耗的例子，比如當(dāng)你的筆記本電腦的充電器發(fā)熱時(shí)，"論文的共同作者、EPFL的POWERlab負(fù)責(zé)人Elison Matioli說(shuō)。在大功率應(yīng)用中，這就更成為一個(gè)問(wèn)題。"半導(dǎo)體元件的標(biāo)稱(chēng)電壓越高，電阻越大，"他補(bǔ)充道。例如，功率損耗會(huì)縮短電動(dòng)汽車(chē)的行駛里程，并降低可再生能源系統(tǒng)的效率。

Matioli和他的博士生Luca Nela以及他們的團(tuán)隊(duì)一起開(kāi)發(fā)了一種晶體管，可以大幅降低電阻，并削減大功率系統(tǒng)的散熱量。更具體地說(shuō)，它的電阻不到傳統(tǒng)晶體管的一半，而電壓卻能保持在1000V以上。

EPFL技術(shù)包含了兩項(xiàng)關(guān)鍵創(chuàng)新。第一個(gè)是在元件中建立幾個(gè)導(dǎo)電通道，以便分配電流--就像在高速公路上增加新的車(chē)道一樣，讓交通更加順暢，防止交通堵塞。"我們的多通道設(shè)計(jì)分割了電流的流動(dòng)，減少了電阻和過(guò)熱，"Nela說(shuō)。

第二項(xiàng)創(chuàng)新涉及使用氮化鎵制成的納米線，這是一種非常適合電力應(yīng)用的半導(dǎo)體材料。納米線已經(jīng)用于低功耗芯片，如智能手機(jī)和筆記本電腦中的芯片，而不是用于高電壓應(yīng)用。POWERlab展示了直徑為15納米的納米線，其獨(dú)特的漏斗狀結(jié)構(gòu)使其能夠支持高電場(chǎng)，以及超過(guò)1000V的電壓而不被擊穿。

得益于這兩項(xiàng)創(chuàng)新的結(jié)合，多通道設(shè)計(jì)使更多的電子得以流動(dòng)，漏斗結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了納米線的電阻，晶體管可以在大功率系統(tǒng)中提供更高的轉(zhuǎn)換效率。"我們使用傾斜納米線打造的原型機(jī)的性能是目前最好的GaN功率器件的兩倍，"Matioli說(shuō)。

雖然工程師們的技術(shù)還處于實(shí)驗(yàn)階段，但大規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)該不會(huì)有什么大的障礙。"增加更多的通道是一件相當(dāng)瑣碎的事情，我們的納米線的直徑是英特爾制造的小型晶體管的兩倍。"Matioli說(shuō)。該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)為他們的發(fā)明申請(qǐng)了多項(xiàng)專(zhuān)利。

隨著電動(dòng)汽車(chē)的廣泛應(yīng)用，對(duì)能夠在高電壓下高效運(yùn)行的芯片的需求將蓬勃發(fā)展，因?yàn)楦咝У男酒梢灾苯愚D(zhuǎn)化為更長(zhǎng)的續(xù)航里程。一些主要的制造商已經(jīng)表示有興趣與Matioli合作，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)這項(xiàng)技術(shù)。