EnglishSchakelmodule van galliumoxide haalt als eerste in zijn soort 1 megawatt
Onderzoekers in Hongkong bouwden een module met zes chips van galliumoxide die in tests steeds opnieuw 1.000 volt en 1.000 ampère schakelde. Volgens hen is het de eerste module van dit soort halfgeleider die zo 1 megawatt haalt.
Overal waar elektriciteit wordt geregeld of omgezet, zitten schakelaars van halfgeleiders: in elektrische auto's, zonne-installaties, het stroomnet en datacenters voor AI. Lang was dat vooral silicium. Nieuwere materialen zoals siliciumcarbide en galliumnitride maakten zulke schakelaars al zuiniger en kleiner. Onderzoekers van de Universiteit van Hongkong (HKU) zetten nu een stap verder met galliumoxide, een materiaal dat nog veel hogere spanningen aankan.
Hun module met zes chips van galliumoxide schakelde in tests steeds opnieuw 1.000 volt en 1.000 ampère, duizend keer per seconde. Dat is een piekvermogen van 1 megawatt, evenveel als 500 waterkokers van 2.000 watt tegelijk. Volgens het team is dit de eerste module met meerdere chips van zo'n halfgeleider die het megawattniveau haalt, en ligt het vermogen meer dan honderd keer hoger dan eerder met deze groep materialen was gelukt. Het onderzoek verscheen in Nature Communications. Professor Yuhao Zhang van HKU leidde het werk, samen met collega's van Virginia Tech in de Verenigde Staten en Nanjing University in China.
Sterk tegen spanning, zwak in warmte
Galliumoxide hoort bij de halfgeleiders met een extra brede bandafstand. Dat betekent dat het materiaal een veel sterker elektrisch veld verdraagt voordat het doorslaat, en dus hogere spanningen kan schakelen in een kleiner stukje materiaal. Het nadeel: galliumoxide voert warmte slecht af. En wie veel chips samen in één behuizing zet, krijgt bij hoge spanning en stroom extra problemen met warmte en met het elektrische veld rond de chips.
Daarom ontwierp het team de chip en zijn behuizing als één geheel, in plaats van eerst de chip te maken en er daarna een verpakking omheen te zoeken. Het deel van de chip waar de warmte ontstaat, zit nu vlak bij de koeling, zodat de warmte een korte weg heeft. Een speciale isolerende laag verdeelt het elektrische veld gelijkmatiger rond de chip, zodat nergens een plek ontstaat waar de spanning te hoog oploopt.
Eén verpakte chip geleidde in een korte stroomstoot 234 ampère bij 1.000 volt en bleef werken terwijl hij van binnen heter werd dan 250 graden Celsius. Daarna zette het team zes van die chips samen in de module die 1 megawatt haalde.
Waar het voor kan dienen
Volgens de onderzoekers is de module vooral geschikt voor apparaten die heel veel energie in heel korte stoten nodig hebben: de beveiliging van hoogspanningsnetten, geavanceerde medische apparatuur, deeltjesversnellers en installaties voor kernfusie. Omdat de module zo snel schakelt, kan hij volgens HKU ook kleinere en zuinigere apparaten voor het omzetten van stroom mogelijk maken. De volgende stap is laten zien dat zo'n module ook buiten het lab, in echte apparaten, lang en betrouwbaar werkt.
Wat betekent dit voor de weg naar de singulariteit?
Wie meer wil rekenen, heeft meer stroom nodig, en die stroom moet ergens worden geregeld en omgezet. Schakelaars die hogere spanningen en stromen aankunnen in een kleinere behuizing, maken het stroomnet, grote installaties en datacenters compacter en zuiniger. Deze module laat zien dat galliumoxide, met slim ontworpen koeling, dat werk op megawattschaal aankan. Daarmee komt een nieuwe generatie vermogenselektronica een stap dichterbij.
