La difficoltà di aumentare ulteriormente l'efficienza di conversione di potenza dei componenti a base di silicio nell'elettronica di potenza sembra indicare che stiamo raggiungendo i limiti dei potenziali progressi di questa tecnologia. Però, un gruppo di ricerca guidato dall'Università di Tokyo ha recentemente sfidato questa visione sviluppando un dispositivo di commutazione di potenza che supera i precedenti limiti di prestazioni, dimostrando che la tecnologia al silicio può essere ulteriormente ottimizzata. I ricercatori hanno sviluppato un transistor bipolare a gate isolato migliorato (IGBT), che è un tipo di interruttore utilizzato nella conversione di potenza per commutare alte tensioni da circa 600 a 6500 V.

Per progettare il loro IGBT, il team ha utilizzato un approccio di scala. Le loro simulazioni di ridimensionamento hanno rivelato che il ridimensionamento di una parte di un IGBT a un terzo della sua dimensione originale potrebbe abbassare la sua tensione operativa da 15 V a soli 5 V e ridurre sostanzialmente la sua potenza di pilotaggio.

"Il nostro approccio al ridimensionamento degli IGBT si basava su un concetto simile a quello utilizzato nella microelettronica tradizionale e indicava che un IGBT con una tensione operativa di 5 V dovrebbe essere fattibile, " dice Takuya Saraya. "Tuttavia, abbiamo pensato che una tensione di pilotaggio di 5 V potesse essere troppo bassa per superare il livello di rumore imprevisto e garantire un funzionamento affidabile."

Per verificare i risultati della loro simulazione, i ricercatori hanno fabbricato il loro IGBT con una tensione nominale di 3300 V in una camera bianca specializzata presso l'Università di Tokyo e quindi ne hanno valutato le prestazioni. In particolare, l'IGBT ha ottenuto una commutazione stabile con una tensione operativa di soli 5 V. Questa rappresenta la prima volta che la commutazione IGBT è stata realizzata a 5 V.

Un IGBT che mostra prestazioni stabili a una tensione operativa di soli 5 V è estremamente interessante perché il consumo di energia del circuito di azionamento è solo circa il 10% di quello di un IGBT convenzionale che funziona a 15 V. Anche l'efficienza di conversione della potenza è migliorata nonostante la ridotta tensione di esercizio. Una tensione di esercizio così bassa è compatibile anche con l'elaborazione elettronica standard, che aiuterà l'integrazione dei circuiti di pilotaggio IGBT con altra elettronica.

"Gli IGBT sono importanti componenti dell'elettronica di potenza, " spiega Toshiro Hiramoto. "Il nostro IGBT miniaturizzato potrebbe portare all'ulteriore sviluppo di elettronica di potenza avanzata che sono più piccole e hanno una maggiore efficienza di conversione della potenza".

Gli IGBT si trovano nell'elettronica, dai treni e veicoli elettrici agli stereo domestici e ai condizionatori d'aria. Perciò, l'IGBT migliorato con bassa tensione di pilotaggio e alta efficienza di conversione di potenza promette di aumentare le prestazioni di numerosi componenti elettronici, contribuendo a mitigare la crescente domanda energetica della società moderna.