Bộ chuyển đổi điện là hệ thống giúp tạo ra điện năng vô cùng tuyệt vời nhưng lại ít được biết đến. Chúng có thể cắm vào máy tính, đèn và TV và bật lên trong tích tắc. Bộ chuyển đổi biến đổi dòng điện xoay chiều (AC) đi ra khỏi ổ cắm trên tường thành mức chính xác của dòng điện một chiều (DC) mà thiết bị điện tử của chúng ta cần. Nhưng chúng cũng có xu hướng mất trung bình tới 20% năng lượng trong quá trình này.

Bộ chuyển đổi nguồn hoạt động bằng cách sử dụng bóng bán dẫn điện — các linh kiện bán dẫn nhỏ được thiết kế để bật, tắt và chịu được điện áp cao. Thiết kế các bóng bán dẫn công suất mới để cải thiện hiệu suất của bộ chuyển đổi là mục tiêu của nhóm kỹ sư EPFL. Với thiết kế bóng bán dẫn hoàn toàn mới, dựa trên ứng dụng phản trực giác của cấu trúc kích thước nano cho các ứng dụng điện áp cao, nhiệt lượng mất đi ít hơn nhiều trong quá trình chuyển đổi, làm cho bóng bán dẫn đặc biệt phù hợp với các ứng dụng năng lượng cao như xe điện và pin mặt trời. Nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Nature Electronics.

Tản nhiệt trong bộ chuyển đổi là do điện trở cao, trong số các yếu tố khác, đây là thách thức lớn nhất đối với các thiết bị điện tử công suất. Elison Matioli, đồng tác giả của bài báo và là người đứng đầu POWERlab của EPFL cho biết: “Chúng tôi lấy ví dụ về tổn thất điện năng hàng ngày, chẳng hạn như khi bộ sạc của máy tính xách tay nóng lên”.

Thậm chí vấn đề này còn trở nên nghiêm trọng trong các ứng dụng công suất cao. Ông cho biết thêm: “Điện áp danh định của linh kiện bán dẫn càng cao thì điện trở càng lớn. Ví dụ, tổn thất điện năng làm giảm phạm vi hoạt động của các loại xe điện và làm giảm hiệu quả của các hệ thống năng lượng tái tạo."

Matioli, cùng với nghiên cứu sinh Luca Nela và các đồng nghiệp, đã phát triển một bóng bán dẫn có thể làm giảm đáng kể điện trở và cắt giảm lượng tản nhiệt trong các hệ thống công suất cao. Đặc biệt hơn, nó có điện trở ít hơn một nửa so với các bóng bán dẫn thông thường, trong khi giữ điện áp trên 1.000 V. Công nghệ EPFL kết hợp hai cải tiến quan trọng.

Cải tiến đầu tiên liên quan đến việc xây dựng một số kênh dẫn điện vào thành phần để phân phối dòng chảy của dòng điện — giống như các làn đường mới được thêm vào đường cao tốc để cho phép giao thông lưu thông thuận lợi hơn và ngăn ngừa tắc đường. Nela nói: “Thiết kế đa kênh của chúng tôi chia nhỏ dòng điện, giảm điện trở và quá tải nhiệt."

Cải tiến thứ hai liên quan đến việc sử dụng các dây nano làm bằng gali nitride, một vật liệu bán dẫn lý tưởng cho các ứng dụng điện. Dây nano đã được sử dụng trong các chip năng lượng thấp, chẳng hạn như trong điện thoại thông minh và máy tính xách tay. POWERlab đã cho thấy các dây nano có đường kính 15 nm và cấu trúc giống hình phễu độc đáo cho phép chúng hỗ trợ điện trường cao và điện áp trên 1.000 V mà không làm phá hỏng.

Nhờ sự kết hợp của hai cải tiến này - các bóng bán dẫn có thể cung cấp hiệu suất chuyển đổi cao hơn trong các hệ thống công suất cao. Matioli cho biết: “Nguyên mẫu mà chúng tôi chế tạo bằng cách sử dụng các dây nano nghiêng có hiệu suất gấp đôi so với các thiết bị điện GaN tốt nhất trong tài liệu."

Nhu cầu về chip có thể hoạt động hiệu quả ở điện áp cao dự báo sẽ tăng cao khi các phương tiện điện trở nên được sử dụng rộng rãi hơn, vì các chip hiệu quả hơn chuyển trực tiếp sang phạm vi dài hơn. Một số nhà sản xuất lớn đã bày tỏ sự quan tâm đến việc hợp tác với Matioli để phát triển thêm công nghệ này.

Link: https://techxplore.com/news/2021-03-nanotransistors-cool-high-voltages.html