装置使电源转换更有效率

电力电子设备可以改变电压或在直流电和交流电之间进行转换，它无处不在。它们存在于我们用来给便携式设备充电的电源砖中;它们存在于电动汽车的电池组中;它们就在电网中，在高压输电线路和低压家用电源插座之间进行调节。

功率转换本质上是低效的:功率转换器输出的功率永远不会和它接收的功率一样多。但最近，由氮化镓制成的电源转换器已经开始进入市场，与传统的硅基电源转换器相比，它具有更高的效率和更小的尺寸。

然而，商用氮化镓电源设备不能处理600伏以上的电压，这限制了它们在家用电子产品中的使用。

在本周举行的电气和电子工程师协会国际电子器件会议上，来自麻省理工学院、半导体公司IQE、哥伦比亚大学、IBM和新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟的研究人员展示了一种新的设计，在测试中，该设计使氮化镓功率器件能够处理1200 V的电压。

这已经足够用于电动汽车了，但研究人员强调，他们的设备是在学术实验室制造的第一个原型。他们相信，进一步的工作可以将其容量提高到3300到5000伏特的范围，从而将氮化镓的效率带到电网本身的电力电子设备中。

这是因为新设备使用了与现有氮化镓电力电子设备根本不同的设计。

“所有商业上可用的设备都是所谓的横向设备，”Tomás Palacios说，他是麻省理工学院电子工程和计算机科学教授，微系统技术实验室的成员，也是这篇新论文的资深作者。“因此，整个设备是在氮化镓晶圆的上表面制造的，这对笔记本电脑充电器等低功耗应用很有好处。但对于中等和高功率应用，垂直器件要好得多。在这些器件中，电流不是流过半导体表面，而是流过晶圆片，穿过半导体。垂直设备在可控制的电压和电流方面要好得多。”

帕拉西奥斯解释说，首先，电流从垂直装置的一个表面流入，从另一个表面流出。这意味着有更多的空间来连接输入和输出线，从而实现更高的电流负载。

另一方面，帕拉西奥斯说:“当你有横向装置时，所有的电流都流过靠近表面的一块非常窄的材料板。我们讨论的是一块厚度可能只有50纳米的材料板。所以所有的电流都通过这里，所有的热量都在这个狭窄的区域产生，所以它变得非常非常非常热。在垂直器件中，电流流经整个晶圆，因此散热更加均匀。”

缩小范围

虽然它们的优点是众所周知的，但在氮化镓中制造垂直器件一直很困难。电力电子学依赖于晶体管，在这种器件中，施加在“栅极”上的电荷可以使半导体材料(如硅或氮化镓)在导电状态和非导电状态之间切换。

为了使这种转换有效，流过半导体的电流需要被限制在一个相对较小的区域内，在这个区域内栅极的电场可以对它施加影响。过去，研究人员试图通过在氮化镓中嵌入物理屏障来构建垂直晶体管，从而将电流引入栅极下方的沟道中。

这些屏障是由一种不稳定的材料制成的，这种材料成本高，生产难度大，而且要把它与周围的氮化镓结合起来，同时又不破坏晶体管的电子特性，这也是一项挑战。

帕拉西奥斯和他的合作者采用了一种简单但有效的替代方法。该团队包括第一作者张雨浩，帕拉西奥斯实验室的博士后，以及去年春天在麻省理工学院电子工程与计算机科学系(EECS)获得博士学位的孙敏;Daniel Piedra和Yuxuan Lin，麻省理工学院EECS研究生;帕拉西奥斯团队的博士后胡洁;新加坡-麻省理工学院研究与技术联盟的刘志宏;IQE的高翔;以及哥伦比亚大学的肯·谢泼德。

他们只是使用更窄的器件，而不是使用内部屏障将电流引入更大器件的狭窄区域。他们的垂直氮化镓晶体管顶部有叶片状突起，称为“鳍”。在每个鳍的两侧都有电触点，它们一起充当栅极。电流通过散热片顶部的另一个触点进入晶体管，并从器件底部流出。翅片的窄性确保栅极电极能够开关晶体管的通断。

帕拉西奥斯说:“我认为，Yuhao和Min的绝妙想法是，‘我们不是通过在同一晶圆中使用多种材料来限制电流，而是通过从我们不希望电流流过的区域移除材料来几何地限制电流。’”“让我们完全改变晶体管的几何形状，而不是在传统的垂直晶体管中为电流做复杂的之字形路径。”

麻省理工学院

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- Chris Vavra编辑，制作编辑，控制工程， CFE传媒，cvavra@cfemedia.com．查看更多控制工程能源和能源新闻．

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