Ο νέος σχεδιασμός θα μπορούσε να μειώσει δραματικά τα ενεργειακά απόβλητα στα ηλεκτρικά οχήματα, τα κέντρα δεδομένων και το ηλεκτρικό δίκτυο.
Τα ηλεκτρονικά ισχύος, τα οποία κάνουν πράγματα όπως η τροποποίηση των τάσεων ή η μετατροπή ισχύος μεταξύ άμεσου και εναλλασσόμενου ρεύματος, είναι παντού. Βρίσκονται στα τείχη ενέργειας που χρησιμοποιούμε για τη φόρτιση των φορητών συσκευών μας, είναι στην μπαταρία των ηλεκτρικών αυτοκινήτων και βρίσκονται στο ίδιο το δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας, όπου μεσολαβούν μεταξύ των γραμμών μεταφοράς υψηλής τάσης και των χαμηλότερων τάσεων οικιακών ηλεκτρικών πριζών.
Η μετατροπή ισχύος είναι εγγενώς αναποτελεσματική: Ένας μετατροπέας ισχύος δεν θα εξάγει ποτέ τόσο μεγάλη ισχύ όσο παίρνει. Αλλά πρόσφατα, οι μετατροπείς ισχύος που κατασκευάζονται από νιτρίδιο του γαλλίου έχουν αρχίσει να φτάνουν στην αγορά, με υψηλότερες αποδόσεις και μικρότερα μεγέθη από την συμβατική ισχύ μετατροπέων πυριτίου.
Οι εμπορικές συσκευές ισχύος νιτριδίου του γαλλίου δεν μπορούν να χειριστούν τάσεις άνω των 600 volt, πράγμα που περιορίζει την οικιακή χρήση ηλεκτρονικών συσκευών.
Στο συνέδριο του Ινστιτούτου Ηλεκτρολόγων Μηχανικών Ηλεκτρονικών την περασμένη εβδομάδα, οι ερευνητές από το MIT, την εταιρεία ημιαγωγών IQE, το Columbia University, την IBM και το MIT Alliance for Research and Technology παρουσίασαν ένα νέο σχέδιο για τον ηλεκτρικό εξοπλισμό νιτριδίου γαλλίου για τη διαχείριση τάσεων 1.200 βολτ.
Αυτή είναι ήδη αρκετή χωρητικότητα για χρήση σε ηλεκτρικά οχήματα, αλλά οι ερευνητές τονίζουν ότι η συσκευή τους είναι ένα πρωτότυπο που κατασκευάζεται σε ένα ακαδημαϊκό εργαστήριο. Πιστεύουν ότι η περαιτέρω δουλειά μπορεί να ενισχύσει την ικανότητά της στην περιοχή των 3.300 έως 5.000 βολτ, για να φέρει την απόδοση του νιτριδίου του γαλλίου στα ηλεκτρονικά ισχύος στο ίδιο το ηλεκτρικό δίκτυο.
Αυτό συμβαίνει επειδή η νέα συσκευή χρησιμοποιεί ένα θεμελιωδώς διαφορετικό σχεδιασμό από τα υπάρχοντα ηλεκτρονικά συστήματα ισχύος νιτριδίου του γαλλίου.
«Όλες οι συσκευές που διατίθενται στο εμπόριο είναι οι λεγόμενες πλευρικές συσκευές», λέει ο Tomás Palacios, καθηγητής Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Πληροφορικής του MIT, μέλος της Microsystems Technology Laboratories και συγγραφέας στη νέα μελέτη. «Έτσι, ολόκληρη η συσκευή κατασκευάζεται στην κορυφαία επιφάνεια του δίσκου νιτριδίου του γαλλίου, κάτι που είναι καλό για εφαρμογές χαμηλής κατανάλωσης όπως ο φορητός υπολογιστής, αλλά και για εφαρμογές μέσης και υψηλής ισχύος όπου οι κάθετες συσκευές είναι πολύ καλύτερες, το ρεύμα, αντί να ρέει μέσα από την επιφάνεια του ημιαγωγού, ρέει μέσα από το δίσκο, πέρα από τον ημιαγωγό». Οι κατακόρυφες συσκευές είναι πολύ καλύτερες όσον αφορά την τάση που μπορούν να διαχειριστούν και πόσο ρεύμα ελέγχουν.
Ο Palacios εξηγεί ότι, το ρεύμα ρέει σε μία επιφάνεια μιας κάθετης συσκευής και έξω από την άλλη. Αυτό σημαίνει ότι υπάρχει απλά περισσότερος χώρος για να συνδέσετε καλώδια εισόδου και εξόδου, τα οποία επιτρέπουν υψηλότερα φορτία ρεύματος.
Περιορισμός του πεδίου
Αν και τα πλεονεκτήματά τους είναι ευρέως γνωστά, οι κάθετες συσκευές ήταν δύσκολο να κατασκευαστούν σε νιτρίδιο του γαλλίου. Τα ηλεκτρονικά ισχύος εξαρτώνται από το τρανζίστορ, δηλαδή συσκευές στις οποίες ένα φορτίο που εφαρμόζεται σε μια «πύλη» η οποία μετατρέπει ένα υλικό ημιαγωγού – όπως το νιτρίδιο του πυριτίου ή του γαλλίου – μεταξύ μιας αγώγιμης και μιας μη αγώγιμης κατάστασης.
Για να είναι αποτελεσματική η εναλλαγή, το ρεύμα που διέρχεται από τον ημιαγωγό πρέπει να περιορίζεται σε μια σχετικά μικρή περιοχή, όπου το ηλεκτρικό πεδίο της πύλης μπορεί να ασκήσει επιρροή σε αυτό. Στο παρελθόν, οι ερευνητές προσπάθησαν να κατασκευάσουν κάθετα τρανζίστορ ενσωματώνοντας φυσικά εμπόδια στο νιτρίδιο του γαλλίου για να κατευθύνουν το ρεύμα σε ένα κανάλι κάτω από την πύλη.
Αλλά τα εμπόδια είναι κατασκευασμένα από ένα υλικό που είναι δαπανηρό και δύσκολο να παραχθεί και η ενσωμάτωσή του με το περιβάλλον νιτρίδιο του γαλλίου με τρόπο που δεν διαταράσσει τις ηλεκτρονικές ιδιότητες του τρανζίστορ και έχει επίσης αποδειχθεί δύσκολο.
Αντί να χρησιμοποιούν ένα εσωτερικό φράγμα για τη δρομολόγηση ρεύματος σε μια στενή περιοχή μιας μεγαλύτερης συσκευής, χρησιμοποιούν απλά μια στενότερη συσκευή. Τα τρανζίστορ κατακόρυφου νιτριδίου του γαλλίου έχουν προεξοχές του τύπου “bladelike” στην κορυφή, γνωστές ως “πτερύγια”. Και στις δύο πλευρές κάθε πτερυγίου υπάρχουν ηλεκτρικές επαφές που λειτουργούν μαζί ως πύλη. Το ρεύμα εισέρχεται στο τρανζίστορ μέσω άλλης επαφής, στην κορυφή του πτερυγίου και εξέρχεται από το κάτω μέρος της συσκευής. Η στενότητα του πτερυγίου εξασφαλίζει ότι το ηλεκτρόδιο πύλης θα μπορεί να ενεργοποιεί και να σβήνει το τρανζίστορ.
Οπότε αντί να περιορίσουμε το ρεύμα έχοντας πολλαπλά υλικά στο ίδιο δίσκο, ας το περιορίσουμε γεωμετρικά αφαιρώντας το υλικό από τις περιοχές εκείνες όπου δεν θέλουμε να ρεύσει το ρεύμα, λέει ο Palacios και συμπληρώνει ότι «αντί να κάνουμε την περίπλοκη διαδρομή ζιγκ-ζαγκ για το ρεύμα σε συμβατικά κάθετα τρανζίστορ, ας αλλάξουμε πλήρως τη γεωμετρία του τρανζίστορ».
Πηγή άρθρου:
