Svårigheten att ytterligare öka effektomvandlingseffektiviteten för kiselbaserade komponenter i kraftelektronik verkar tyda på att vi når gränserna för potentiella framsteg inom denna teknik. Dock, en forskargrupp ledd av Tokyos universitet ifrågasatte nyligen den synen genom att utveckla en strömbrytarenhet som överträffar tidigare prestandagränser, illustrerar att kiselteknologi fortfarande kan optimeras ytterligare. Forskarna utvecklade en förbättrad bipolär transistor med isolerad grind (IGBT), vilket är en typ av omkopplare som används vid effektomvandling för att koppla om höga spänningar på cirka 600 till 6500 V.

För att designa sin IGBT, teamet använde en skalningsmetod. Deras skalningssimuleringar avslöjade att nedskalning av en del av en IGBT till en tredjedel av dess ursprungliga storlek kunde sänka driftspänningen från 15 V till bara 5 V och avsevärt minska dess drivkraft.

"Vår IGBT-skalningsmetod baserades på ett liknande koncept som det som används i traditionell mikroelektronik och indikerade att en IGBT med en driftspänning på 5 V borde vara genomförbar, " säger Takuya Saraya. "Men, vi trodde att en drivspänning på 5 V kan vara för låg för att överträffa den oväntade ljudnivån och säkerställa tillförlitlig drift."

För att verifiera deras simuleringsresultat, forskarna tillverkade sin IGBT med en märkspänning på 3300 V i ett specialiserat renrum vid Tokyos universitet och bedömde sedan dess prestanda. I synnerhet, IGBT uppnådde stabil omkoppling vid en driftspänning på bara 5 V. Detta representerar första gången IGBT-omkoppling har realiserats vid 5 V.

En IGBT som uppvisar stabil prestanda vid en driftspänning på bara 5 V är extremt attraktiv eftersom drivkretsens strömförbrukning bara är cirka 10 % av den för en konventionell IGBT som arbetar på 15 V. Effektomvandlingseffektiviteten förbättras också trots den sänkta driftspänning. En sådan låg driftspänning är också kompatibel med standardelektronikbehandling, vilket kommer att underlätta integrationen av IGBT-drivkretsarna med annan elektronik.

"IGBT är viktiga kraftelektronikkomponenter, " förklarar Toshiro Hiramoto. "Vår miniatyriserade IGBT kan leda till vidareutveckling av avancerad kraftelektronik som är mindre och har högre effektkonverteringseffektivitet."

IGBTs finns i elektronik, allt från elektriska tåg och fordon till hemstereo och luftkonditionering. Därför, den förbättrade IGBT med låg drivspänning och hög effektomvandlingseffektivitet visar löfte om att höja prestandan hos många elektronik, bidra till att mildra det moderna samhällets ökande energibehov.