Thiết kế bộ chuyển đổi điện mới mang lại hiệu quả cho lưới điện

Chuyển đổi điện về bản chất không hiệu quả: Bộ chuyển đổi điện sẽ không bao giờ cung cấp năng lượng nhiều hơn mức tiêu thụ. Nhưng gần đây, bộ chuyển đổi được chế tạo từ gallium nitride có hiệu suất cao và kích thước nhỏ hơn các bộ chuyển đổi điện thông thường làm từ silicon, đã được tung ra thị trường. Tuy nhiên, bộ chuyển đổi này không thể xử lý điện áp khoảng trên 600V, nên đã hạn chế ứng dụng cho các thiết bị điện tử gia dụng.

Nhóm nghiên cứu tại Viện Công nghệ Massachusetts (MIT), công ty bán dẫn IQE, Trường Đại học Columbia, Công ty máy tính IBM và Liên minh Singapo-MIT về Nghiên cứu và Công nghệ đã công bố thiết kế mới cho phép nitride gallium cung cấp điện cho các thiết bị để xử lý điện áp 1.200V. Mức công suất này đủ để sử dụng trong xe điện, tuy nhiên, các nhà nghiên cứu nhấn mạnh thiết bị của họ là nguyên mẫu đầu tiên được sản xuất trong phòng thí nghiệm. Ngoài ra, cần nghiên cứu tăng công suất từ 3.300V lên 5.000V để gallium nitride mang lại hiệu quả cho bộ biến đổi điện trong lưới điện riêng, bởi vì thiết bị mới sử dụng một thiết kế cơ bản khác từ các bộ biến đổi điện gallium nitride hiện có.

Tomas Palacios, Giáo sư kỹ thuật điện và khoa học máy tính và là đồng tác giả nghiên cứu cho rằng: Tất cả các bộ biến đổi điện thương mại hóa hiện nay được gọi là thiết bị phụ trợ. Vì vậy, toàn bộ thiết bị được chế tạo ở mặt trên cùng của miếng bán dẫn gallium nitride, tốt cho các ứng dụng công suất thấp như bộ sạc máy tính xách tay. Nhưng đối với các ứng dụng công suất trung bình và công suất cao, thiết bị đặt ở vị trí thẳng đứng mang lại hiệu quả cao hơn nhiều. Đây là những thiết bị, trong đó, dòng điện thay vì chạy qua bề mặt của chất bán dẫn, lại di chuyển qua miếng bán dẫn, qua chất bán dẫn. Các thiết bị thẳng đứng có khả năng quản lý và kiểm soát điện áp hiệu quả hơn.

Dù các thiết bị thẳng đứng có nhiều ưu điểm, nhưng khó chế tạo từ gallium nitride. Bộ biến đổi điện phụ thuộc vào các bóng bán dẫn thực hiện sạc cho "cổng" làm biến đổi vật liệu bán dẫn như silicon hoặc gallium nitride giữa trạng thái dẫn điện và cách điện. Để việc chuyển đổi hiệu quả, dòng điện chạy qua chất bán dẫn cần được giới hạn trong phạm vi tương đối nhỏ, nơi điện trường của cổng có thể gây tác động lên nó. Trước đây, các nhà nghiên cứu đã cố gắng chế tạo bóng bán dẫn thẳng đứng bằng cách tạo rào cản vật lý cho gallium nitride để định hướng dòng điện đi vào trong một rãnh bên dưới cổng. Nhưng các rào cản vật lý được tạo ra từ vật liệu khí nóng đắt đỏ và khó sản xuất và việc kết hợp nó với gallium nitride xung quanh theo cách không làm mất đi tính chất điện tử của bóng bán dẫn, cũng vẫn đang là thách thức.

Nhóm nghiên cứu đã đưa ra một lựa chọn đơn giản nhưng hiệu quả. Thay vì sử dụng rào cản bên trong để định hướng dòng điện vào trong một vùng hẹp của thiết bị cỡ lớn, các nhà khoa học chỉ sử dụng thiết bị nhỏ. Các bóng bán dẫn gallium nitride thẳng đứng có phần nhô ra ở phía trên đầu giống như cánh quạt được gọi là "vây". Ở cả hai mặt của mỗi vây là các công tắc điện kết hợp hoạt động như một cổng. Dòng điện đi vào bóng bán dẫn thông qua một công tắc khác nằm trên đầu của vây và đi ra qua đáy của thiết bị. Diện tích hạn chế của vây đảm bảo rằng cổng điện cực sẽ có thể bật và tắt bóng bán dẫn.

PGS Palacios cho rằng: Không nên hạn chế dòng điện bằng nhiều vật liệu trong cùng một miếng bán dẫn, chúng ta phải giới hạn nó về mặt hình dạng bằng cách loại bỏ vật liệu khỏi những khu vực mà chúng ta không muốn dòng đi qua. Thay vì tạo ra con đường ngoằn ngoèo phức tạp cho dòng điện trong bóng bán dẫn thẳng đứng, chúng ta hãy thay đổi hoàn toàn hình dạng của bóng bán dẫn.

(NASATI)