Исследователи разрабатывают схемы, способные функционировать при температурах выше 650 градусов по Фаренгейту

Исследователи-инженеры из Университета Арканзаса разработали интегральные схемы, которые могут выдерживать температуры более 350 градусов по Цельсию – или примерно 660 градусов по Фаренгейту. Их работа, финансируемая Национальным научным фондом, улучшит функционирование процессоров, драйверов, контроллеров и других аналоговых и цифровых схем, используемых в силовой электронике, автомобилях и аэрокосмическом оборудовании – все из которых должны работать при высоких, а зачастую и экстремальных температурах.

«Эта надежность позволяет размещать эти схемы в местах, где стандартные кремниевые детали не могут выжить», — сказал Алан Мантус, заслуженный профессор. «Схемные блоки, которые мы разработали, способствовали превосходной производительности обработки сигналов, контроллеров и схем драйверов. Мы очень воодушевлены полученными результатами».

Исследование имеет решающее значение, поскольку одна треть всей энергии, производимой в Соединенных Штатах, проходит через какой-либо силовой электронный преобразователь или привод двигателя, прежде чем она достигнет конечного потребителя. Схемы, разработанные командой Университета Арканзаса, обеспечат тесную интеграцию управления в жестких условиях окружающей среды, которых требуют эти приложения. Они также повысят электрическую эффективность, одновременно уменьшая общий размер и сложность этих систем.

Исследователи работали с карбидом кремния — полупроводниковым материалом, который более прочный, чем традиционные материалы, используемые в электронике. Карбид кремния способен выдерживать чрезвычайно высокое напряжение и является хорошим проводником тепла, что означает, что он может работать при высоких температурах, не требуя дополнительного оборудования для отвода тепла.

Исследовательская группа под руководством Мантута и Цзя Ди, профессора компьютерной инженерии, достигла более высокой производительности, объединив карбид кремния с методами проектирования в широком диапазоне температур. В мире силовая электроника и интегральных схем, их работа представляет собой первую реализацию ряда фундаментальных аналоговых, цифровых и смешанных блоков сигналов, таких как фазовая автоподстройка частоты с использованием дополняющей технологии карбида кремния. Фазовая автоподстройка частоты, или ФАПЧ, представляет собой систему управления, которая генерирует выходной сигнал, фаза которого связана с фазой входного сигнала. Такая функция имеет решающее значение во многих схемотехнических приложениях, таких как синхронизация сигналов, синтез частот, а также схемы модуляции и демодуляции.

Исследование проводилось в рамках программы Национального научного фонда по созданию инновационного потенциала, которая призвана объединить университетские и отраслевые исследования для налаживания интеллектуального сотрудничества, чтобы инновации перетекали от идей к надежным результатам исследований, прототипам компаний и продуктам. Университет Арканзаса и две технологические компании Фейетвилля, Ozark Integrated Circuits и Arkansas Power Electronics International, составляют основу этой инновационной экосистемы. Raytheon также является ключевым партнером.

Ozark Integrated Circuits занимается коммерциализацией схемотехнической технологии. Arkansas Power Electronics International специализируется на использовании этих схем в энергетических приложениях.

Финансирование исследования было предоставлено Центру схемотехнического проектирования Арканзаса, который состоит из двух лабораторий: одной руководит Мантут, а другой - Ди. Центр проектирования схем Арканзаса поддерживает миссию Национального центра надежной передачи электроэнергии Университета Арканзаса, который финансируется в рамках усилий федерального правительства по исследованиям и разработкам в области интеллектуальных сетей и технологий возобновляемых источников энергии. Центр является одним из немногих университетских исследовательских центров, изучающих электронные системы, которые помогут сделать национальную энергосистему более надежной и эффективной. Министерство энергетики США финансирует центр с 2005 года благодаря исследовательскому опыту университета в области передовой силовой электроники и долгосрочным исследованиям Карбид кремния. Мантут — исполнительный директор центра.

Arkansas Power Electronics International специализируется на передовой, высокопроизводительной электронике для различных клиентов и применений, включая оборонную, аэрокосмическую и гибридную/электрическую транспортную промышленность. Ozark Integrated Circuits — полупроводниковая компания, разрабатывающая интегральные схемы для дистанционного зондирования и срабатывания в экстремальных условиях окружающей среды.