電源轉換器是鮮為(wei) 人知的係統，它讓電力變得如此神奇。它們(men) 讓我們(men) 能夠插入電腦、電燈和電視機，並在瞬間將它們(men) 打開。轉換器將牆上插座中的交流電(AC)轉化為(wei) 我們(men) 電子產(chan) 品所需的直流電(DC)。但在這個(ge) 過程中，它們(men) 也會(hui) 平均損失20%的能量。

功率轉換器的工作原理是使用功率晶體(ti) 管，這些微小的半導體(ti) 元件被設計成可以開關(guan) 和承受高電壓。設計新穎的功率晶體(ti) 管以提高轉換器的效率是EPFL工程師團隊的目標。全新晶體(ti) 管設計基於(yu) 納米級結構，在轉換過程中損失的熱量要少得多，使晶體(ti) 管特別適合電動汽車和太陽能電池板等高功率應用。他們(men) 的研究成果剛剛發表在《自然電子學》上。

轉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。"我們(men) 每天都能看到電能損耗的例子，比如當你的筆記本電腦的充電器發熱時，"論文的共同作者、EPFL的POWERlab負責人Elison Matioli說。在大功率應用中，這就更成為(wei) 一個(ge) 問題。"半導體(ti) 元件的標稱電壓越高，電阻越大，"他補充道。例如，功率損耗會(hui) 縮短電動汽車的行駛裏程，並降低可再生能源係統的效率。

Matioli和他的博士生Luca Nela以及他們(men) 的團隊一起開發了一種晶體(ti) 管，可以大幅降低電阻，並削減大功率係統的散熱量。更具體(ti) 地說，它的電阻不到傳(chuan) 統晶體(ti) 管的一半，而電壓卻能保持在1000V以上。

EPFL技術包含了兩(liang) 項關(guan) 鍵創新。第一個(ge) 是在元件中建立幾個(ge) 導電通道，以便分配電流--就像在高速公路上增加新的車道一樣，讓交通更加順暢，防止交通堵塞。"我們(men) 的多通道設計分割了電流的流動，減少了電阻和過熱，"Nela說。

第二項創新涉及使用氮化镓製成的納米線，這是一種非常適合電力應用的半導體(ti) 材料。納米線已經用於(yu) 低功耗芯片，如智能手機和筆記本電腦中的芯片，而不是用於(yu) 高電壓應用。POWERlab展示了直徑為(wei) 15納米的納米線，其獨特的漏鬥狀結構使其能夠支持高電場，以及超過1000V的電壓而不被擊穿。

得益於(yu) 這兩(liang) 項創新的結合，多通道設計使更多的電子得以流動，漏鬥結構增強了納米線的電阻，晶體(ti) 管可以在大功率係統中提供更高的轉換效率。"我們(men) 使用傾(qing) 斜納米線打造的原型機的性能是目前最好的GaN功率器件的兩(liang) 倍，"Matioli說。

雖然工程師們(men) 的技術還處於(yu) 實驗階段，但大規模生產(chan) 應該不會(hui) 有什麽(me) 大的障礙。"增加更多的通道是一件相當瑣碎的事情，我們(men) 的納米線的直徑是英特爾製造的小型晶體(ti) 管的兩(liang) 倍。"Matioli說。該團隊已經為(wei) 他們(men) 的發明申請了多項專(zhuan) 利。

隨著電動汽車的廣泛應用，對能夠在高電壓下高效運行的芯片的需求將蓬勃發展，因為(wei) 更高效的芯片可以直接轉化為(wei) 更長的續航裏程。一些主要的製造商已經表示有興(xing) 趣與(yu) Matioli合作，進一步開發這項技術。