全球首個全低溫氮化鎵功率轉換器在4?K下演示成功，邁進太空超導新一步

如今，EPC、香港大學和弗吉尼亞理工大學的合作研究團隊，成功演示了全球首個在4 K（−269°C）下完全正常運行的功率轉換器^[1]。更重要的是，所有有源和無源元件都放在低溫環境內，不再像之前那樣需要依賴常溫電子設備。

這不僅是效率上的突破，更代表了一種全新的低溫功率電子設計思路，也再次印證了氮化鎵技術非常適合下一代超低溫系統。

這項成果不只是一項效率紀錄。它證明氮化鎵能夠支撐起全新類型的超低溫電子系統，為量子計算、超導磁體、航空航天和下一代交通等領域打開新可能。

這一進展也是多年來低溫氮化鎵研究的自然延續。此前已有研究表明，商用氮化鎵器件在低溫下可以正常工作，且關鍵電參數隨溫度降低而改善。不過那些工作主要停留在單個器件的特性測試上。最新的研究則邁出了關鍵一步，證明器件層面的優勢能夠轉化到4 K下完整運行的功率轉換器中，讓實用化的低溫功率電子離現實更近了一步^[2]。

為什么4 K至關重要

低溫技術在多個前沿領域都越來越重要。為了讓量子比特保持相干，量子計算機需要冷卻到毫K級別；MRI和超導磁體通常工作在4 K到20 K；深空中的航天器天然處于低溫環境；未來采用超導推進的飛機也預期會用到低溫電子設備。

隨著這些系統越來越復雜，把功率電子盡量靠近低溫負載放置，就成了減少傳輸損耗、降低線纜復雜度和提升整體效率的關鍵。

但長期以來這都很難做到。正如論文作者指出的^[1]：

“此前報道的功率轉換器大多只演示到77 K，而且無源元件和驅動器往往還在常溫端。為填補這一空白，我們展示了首個在4 K下完全運行的功率轉換器。”

這個限制帶來了更長的連線、更高的損耗、更大的散熱難度和系統復雜度。而新成果把這個瓶頸徹底打破了。

單片集成氮化鎵IC功不可沒

實現這一突破的核心技術是單片集成氮化鎵功率IC。EPC把氮化鎵功率晶體管和片上柵極驅動器集成在同一顆芯片里，這樣就不需要外接常溫驅動器，同時在4 K下也能可靠工作。這種單片集成能力，是下一代低溫功率架構的一個關鍵差異點（圖1）。

氮化鎵HEMT不像傳統硅器件那樣依賴摻雜來產生載流子，而是靠AlGaN/GaN界面處的極化效應形成二維電子氣（2DEG）來導電，所以天生就不會在低溫下出現載流子凍析問題。早前的低溫研究也顯示，溫度越低，載流子遷移率反而越高——也就是說，氮化鎵器件在低溫下不僅能工作，很多時候性能還會更好，而這恰恰是傳統半導體技術開始失效的區域。

圖1：（a）電路原理圖 （b）氮化鎵IC照片

實驗測試帶來了幾個很直觀的發現：

導通電阻RDS(on)比室溫下低了37.5%

氮化鎵柵極驅動器在4 K下工作穩定

雖然閾值電壓有漂移，高頻開關仍能穩定進行

整個功率變換都在低溫下完成，不需要常溫器件

證明商用氮化鎵功率IC在低溫下是可靠的

這些結果和之前文獻一致——多種商用氮化鎵技術（包括增強型、共源共柵型和柵極注入晶體管）都能在4.2 K下正常工作。雖然不同架構的閾值電壓隨溫度變化的趨勢不太一樣，但都表現出了足夠的低溫魯棒性，進一步鞏固了氮化鎵在超低溫功率電子中的領先地位^[3,4]。

導通電阻降低直接減少了導通損耗，而柵極驅動器穩定工作說明集成氮化鎵功率IC確實可以擺脫常溫電路的依賴。

這些結果再次表明，氮化鎵的應用范圍不僅在常溫高頻高密度功率變換，在全新的工作環境中也大有可為。

無源元件同樣是成敗關鍵

低溫轉換器不能光看半導體性能。很多時候瓶頸出在無源元件上——它們的電特性在極低溫下可能變化很大，電容會漂移，磁性材料會退化，電感也變得難以預測。

這次研究用了工業級聚丙烯（PP）薄膜電容和定制的Nb-Ti超導空芯電感，兩者在4 K下電性能都非常穩定。”工業PP電容和定制Nb-Ti超導空芯電感在4 K下都表現穩定。把這些元件整合在一起，我們成功在4 K下跑出了一個100 kHz的升壓轉換器。”^[1]

這套元件選型方案，為今后設計低溫功率系統的人提供了很實用的參考——在低溫環境下，無源器件的可靠性和半導體同等重要。

圖2：（a）電路原理圖 （b）低溫升壓轉換器照片

完整的4 K升壓轉換器演示

團隊在一個無液氦稀釋制冷機里完整實現了100 kHz升壓轉換器。

輸入10 V，輸出接近40 V，在7.6 W輸出功率下效率最高達到91.6%。這不再只是測測器件參數，而是在目前已知最低工作溫度下，完整跑通了一個功率變換系統。

雖然這個原型主要還是用于研究驗證，不是商業化產品，但它已經把未來低溫功率架構所需的各個基本模塊都打通了。

對量子計算和更廣領域意味著什么

這項工作的意義遠不止實驗室演示本身。

量子處理器從幾千個量子比特向百萬級擴展的過程中，高效率的低溫供電會變得越來越關鍵。這些結果也印證了此前文獻的結論——多種商用氮化鎵技術都能在4 K下正常工作。

以前用常溫電源給低溫端供電，會帶來熱負載、額外布線和能量損耗等問題。這項研究則證明，一個全氮化鎵的4 K轉換器是可行的，為將來把功率變換做得更靠近量子處理器和其他超導系統，提供了關鍵的基礎模塊。

超導科學儀器、MRI、粒子加速器、深空電子設備，以及采用超導推進的下一代電動飛機，也都是潛在的應用方向。

氮化鎵本身開關頻率高、集成度高，加上這次驗證的低溫魯棒性，讓它在新興應用中很有吸引力。

更重要的是，這個成果在改變行業思路。現在的問題已經不是"功率電子能不能在4 K下工作"，而是"既然技術上已經實現，工程師該怎么圍繞這些技術來設計下一代低溫功率系統"。

低溫功率電子的新篇章

寬禁帶半導體已經改變了電動汽車、可再生能源、AI數據中心和工業自動化的功率變換格局，而這項研究可能預示著另一個方向上的革命正在開啟——面向超低溫電子設備的變革。

EPC、香港大學和弗吉尼亞理工合作完成的全球首個4 K氮化鎵功率轉換器，為低溫DC-DC變換樹立了一個新標桿。它的意義在于：氮化鎵功率IC可以在完全低溫的環境下實現可靠的高頻功率變換，不再依賴常溫柵極驅動器，也降低了系統復雜度、熱損耗和互連要求。

"這項工作是功率轉換器最低工作溫度的新紀錄，為功率電子開拓了新的應用空間，也為4 K系統中未來低溫功率電子選型提供了參考。"^[1]

量子計算、超導技術、空間電子、科學儀器和未來超導運輸系統都在持續發展，能實現高效率的低溫功率轉換會越來越重要。而這項研究表明，氮化鎵憑借高開關頻率、單片集成、低溫魯棒性和高功率密度，正是應對這些挑戰的合適選擇。

總體來說： 全球首個4 K氮化鎵功率轉換器的成功，把單片集成氮化鎵功率IC技術推上了下一代低溫功率電子的領跑位置。氮化鎵現在不僅能做到高效率、高功率密度，還能在低溫下可靠工作——量子計算、超導系統、MRI、粒子加速器、深空電子等超低溫應用，都將因此獲得新的可能。問題已經不是能不能在4 K下做功率變換，而是接下來工程師要怎么用這些已經跑通的技術，去設計新一代的低溫功率系統。

References

Xin Yang, Ricardo Garcia, Shengke Zhang et al., "First Demonstration of Cryogenic Power Converter Operational at 4 Kelvin using GaN Power IC," 2026 IEEE 38th International Symposium on Power Semiconductor Devices and ICs (ISPSD 2026). 

Maurizio Di Paolo Emilio, "GaN for Cryogenic Applications," Power Electronics News, January 24, 2022. 

Luca Nela, Nirmana Perera, Catherine Erine, Elison Matioli, "Performance of GaN Power Devices for Cryogenic Applications Down to 4.2 K," IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 36, no. 7, pp. 7412–7416, 2021. 

Justin Colmenares, Trevor Foulkes, Christopher Barth, Thomas Modeer, Robert C. N. Pilawa-Podgurski, "Experimental Characterization of Enhancement-Mode Gallium-Nitride Power Field-Effect Transistors at Cryogenic Temperatures," 2016 IEEE Workshop on Wide Bandgap Power Devices and Applications (WiPDA 2016).