De moeilijkheid om de energieconversie-efficiëntie van op silicium gebaseerde componenten in vermogenselektronica verder te vergroten, lijkt erop te wijzen dat we de limieten van potentiële vooruitgang van deze technologie bereiken. Echter, een onderzoeksgroep onder leiding van de Universiteit van Tokyo daagde onlangs die visie uit door een stroomschakelapparaat te ontwikkelen dat eerdere prestatielimieten overtreft, waaruit blijkt dat siliciumtechnologie nog verder kan worden geoptimaliseerd. De onderzoekers ontwikkelden een verbeterde bipolaire transistor met geïsoleerde poort (IGBT), dat is een type schakelaar dat wordt gebruikt bij stroomconversie om hoge spanningen van ongeveer 600 tot 6500 V te schakelen.

Om hun IGBT te ontwerpen, het team gebruikte een schaalbenadering. Hun schaalsimulaties onthulden dat het verkleinen van een deel van een IGBT tot een derde van de oorspronkelijke grootte de bedrijfsspanning van 15 V naar slechts 5 V kon verlagen en het aandrijfvermogen aanzienlijk zou verminderen.

"Onze IGBT-schaalbenadering was gebaseerd op een soortgelijk concept als dat wordt gebruikt in traditionele micro-elektronica en gaf aan dat een IGBT met een bedrijfsspanning van 5 V haalbaar zou moeten zijn, ", zegt Takuya Saraya. "Echter, we dachten dat een stuurspanning van 5 V misschien te laag is om het onverwachte geluidsniveau te overtreffen en een betrouwbare werking te garanderen."

Om hun simulatieresultaten te verifiëren, de onderzoekers fabriceerden hun IGBT met een nominale spanning van 3300 V in een gespecialiseerde cleanroom aan de Universiteit van Tokyo en beoordeelden vervolgens de prestaties. Opmerkelijk, de IGBT bereikte een stabiele schakeling bij een bedrijfsspanning van slechts 5 V. Dit is de eerste keer dat IGBT-schakeling is gerealiseerd bij 5 V.

Een IGBT die stabiele prestaties vertoont bij een bedrijfsspanning van slechts 5 V is buitengewoon aantrekkelijk omdat het stroomverbruik van het aandrijfcircuit slechts ongeveer 10% is van dat van een conventionele IGBT die werkt op 15 V. De efficiëntie van de stroomconversie wordt ook verbeterd ondanks de verlaagde bedrijfsspanning. Zo'n lage bedrijfsspanning is ook compatibel met standaard elektronicaverwerking, wat de integratie van de IGBT-aandrijfcircuits met andere elektronica zal bevorderen.

"IGBT's zijn belangrijke componenten voor vermogenselektronica, " legt Toshiro Hiramoto uit. "Onze geminiaturiseerde IGBT zou kunnen leiden tot de verdere ontwikkeling van geavanceerde vermogenselektronica die kleiner is en een hogere efficiëntie heeft bij de omzetting van het vermogen."

IGBT's zijn te vinden in elektronica, variërend van elektrische treinen en voertuigen tot stereo-installaties voor thuis en airconditioners. Daarom, de verbeterde IGBT met lage stuurspanning en hoge stroomconversie-efficiëntie toont belofte om de prestaties van tal van elektronica te verbeteren, helpen om de toenemende vraag naar energie van de moderne samenleving te verminderen.