Augmenter la distance de conduite des véhicules électriques
Un appareil fin comme du papier pourrait améliorer les systèmes d’alimentation des voitures, des trains et des avions, augmentant ainsi la distance parcourue.
L’une des limitations auxquelles sont confrontés les véhicules électriques (VE) actuels est qu’ils ne peuvent pas parcourir de très longues distances sans recharger leurs batteries.
Maintenant, les chercheurs ont créé une nouvelle technologie de transistor qui pourrait aider à réduire le volume des batteries pour les véhicules électriques tout en augmentant la distance qu’ils peuvent parcourir avec une seule charge.
Une équipe de l’Université de Buffalo a développé le nouveau commutateur électronique à base d’oxyde de gallium, qui peut gérer plus de 8 000 volts d’électricité mais est à peu près aussi fin qu’une feuille de papier.
L’image graphique de gauche montre la tension de claquage de trois versions différentes du transistor à l’oxyde de gallium développé par des chercheurs de l’Université de Buffalo. L’illustration de droite montre la configuration et les matériaux qui composent le transistor qui a atteint une tension de claquage de plus de 8 000 volts.
Le transistor est l’un des nouveaux facteurs de forme dans le domaine de l’électronique de puissance qui, selon les chercheurs, contribuera à accroître l’acceptation des véhicules qui utilisent de l’électricité au lieu des combustibles fossiles pour l’alimentation, a déclaré Uttam Singisetti, professeur agrégé de génie électrique à l’université, qui a dirigé le recherche.
« Pour vraiment pousser ces technologies dans l’avenir, nous avons besoin de composants électroniques de nouvelle génération capables de gérer des charges de puissance plus importantes sans augmenter la taille des systèmes d’électronique de puissance », a-t-il déclaré dans un communiqué de presse.
Un œil sur les futures conceptions de puissance
Le transistor développé par Singisetti et son équipe pourrait ouvrir la voie à des systèmes électroniques plus petits et plus efficaces pour gérer et convertir l’énergie électrique non seulement dans les véhicules électriques, mais également dans les trains et les avions, améliorant ainsi la distance qu’ils peuvent parcourir. Il pourrait également être utilisé pour la gestion de l’alimentation dans les technologies de micro-réseaux et les transformateurs à semi-conducteurs.
La clé de la conception du transistor est l’utilisation de l’oxyde de gallium, que les chercheurs ont exploité en raison de sa bande interdite ultra-large, la mesure de la quantité d’énergie nécessaire pour secouer un électron dans un état conducteur d’électricité.
Avoir une large bande interdite permet à un matériau d’être utilisé dans un système d’alimentation plus fin, plus léger et plus robuste qui peut gérer plus d’énergie que les matériaux avec des bandes interdites plus faibles, a déclaré Singisetti.
La bande interdite de l’oxyde de gallium est d’environ 4,8 électrons-volts, ce qui en fait un matériau d’élite dans le domaine des bandes interdites ultra-larges, et donc un remplacement possible du carbure de silicium – qui a une bande interdite de 3,4 électrons-volts – dans les applications de conductivité électronique.
La clé pour obtenir leurs résultats était une innovation dans la passivation, le processus chimique qui consiste à revêtir l’appareil pour réduire la réactivité chimique de sa surface. Pour leur transistor, ils ont utilisé une couche d’un polymère à base d’époxy, le SU-8, qui est couramment utilisé en microélectronique.
Résultats de test positifs
Lors des tests de l’appareil avant que la pandémie de COVID-19 ne ferme temporairement le laboratoire de Singisetti en mars, les chercheurs ont découvert que l’utilisation de ce revêtement permettait au transistor de gérer 8 032 volts d’électricité avant de tomber en panne.
« Plus la tension de claquage est élevée, plus un appareil peut gérer de puissance », a déclaré Singisetti dans un communiqué de presse. « La couche de passivation est un moyen simple, efficace et économique d’améliorer les performances des transistors à l’oxyde de gallium. »
En effet, la limite de tension du transistor à revêtement SU-8 a montré de meilleures performances que les dispositifs de conception similaire composés de carbure de silicium ou de nitrure de gallium qui sont actuellement en cours de développement.
Les chercheurs ont publié un article sur leur conception dans la revue Lettres de périphérique électronique IEEE.
D’autres simulations du transistor dans des applications électroniques ont démontré qu’il a potentiellement une intensité de champ – ou l’intensité d’une onde électromagnétique à un endroit donné – de plus de 10 millions de volts (ou 10 mégavolts) par centimètre.
C’est ce qui déterminera en fin de compte sa capacité à réduire considérablement le poids tout en fournissant une puissance optimale pour les véhicules électriques et autres systèmes d’alimentation électroniques, a déclaré Singisetti.
« Ces forces de champ simulées sont impressionnantes », a-t-il déclaré dans un communiqué de presse, ajoutant toutefois que son optimisme est prudent car les résultats « devraient encore être vérifiés par des mesures expérimentales directes ».
