新型高性能光子直流变压器

作为很多其他能量形式转化的目的地，电能已经以一种前所未有的方式改变了我们的生活。现如今，大部分的远距离传输都使用交流电。然而在大约一个世纪之前的1880年代，电力传输系统还在直流电和交流电之间做着艰难的选择---俗称的电流大战。

当时的爱迪生为了推广他发明的灯泡，强烈推行已经发现的直流电供电系统。但是我们知道，电力传输的损耗和电压成二次方反比关系。直流电因为没有有效的直流升压设备造成长距离传送电能损耗巨大，因此使用直流供电的设备只能在设备附近单独配备一套产生合适直流电压的电机和单独的输电网络。这造成了当时的电力传输网络极其复杂（图1）。后来在西屋电气创始人乔治·威斯汀豪斯的支持下，威廉·史坦雷 在1885年设计了首个可用的交流电变压器，解决了交流电的变压问题。几年后尼古拉·特斯拉发明了交流电动机，交流电逐渐在远距离电力传输上占据成本和效率优势，直流电传输系统就渐渐退出了历史舞台。毫不夸张的说，交流变压器的发明直接决定了电流大战中交流电的胜出。

图1，1890年的纽约街道。因为采用直流电传输，需要不同的电压的设备都有在附近的一套单独的发电机和输电电路，造成输电网络极其复杂。（图片来源：维基百科）

我们对交流变压器都很熟悉。传统的交流变压器（图2a）包含两组数量不同的线圈。输入端线圈在交变电流驱动下由法拉第电磁感应定律产生出磁感应线，并通过导磁体传递给接收端的线圈中，产生变化的磁通量，引起感应电势。通过控制两端线圈的数量比，可以将交流电压升高或者降低。因为这种技术依赖于时变场，所以对直流电电压变换无能为力。

对于直流电，现在所采用的技术变压技术是基于各种各样的电容电感和三极管电路（图2b）。三极管在电路中通过有序的开合将直流电转换成随时域有变化的电能，通过电容电感电路实现低通滤波，就可以在输出端得到一个和输入端电压不同的直流分量。

图2. 各种变压技术示意图。a, 交流电电磁感应变压。b,直流升压变压器。c, 直流光子变压器[1]。

这样的设计虽然巧妙，但是存在很多无法避免的缺点。因为电感和电容元件，尤其是电感元件，非常难以小型化，这造成直流变压器的体积通常非常巨大。如果我们打开电脑主机，里面主板上很多的突起部分都是电容或者电感，它们毫不客气地占据了主板上很大的空间。这个体积问题在像智能手机等这种寸土寸金的小型电子设备上更加严重，往往直接影响着这些设备的厚度。

另外一个更加严重的后果是这种技术带来的电磁干扰问题。因为低通滤波的效率无法达到百分之百，输出的直流电压总是包含着一部分的上下波动。这些波动直接将一部分电能通过电磁波的形式向外发射，形成了我们通常所说的电磁干扰。这些电磁干扰在我们身边无处不在，比如在我们听歌的时候，甚至有时可以听到因为电磁干扰造成的噪音。电磁干扰的问题在电子元件越来越小的今天更加亟待解决。

近期，斯坦福大学范汕洄课题组的赵博博士后和同事提出了一个新型的基于光子的直流变压技术。相比于前面提到的现在流行的直流电转换技术，新提出的光子变压器拥有性能高，体积小，重量轻，能量密度大，无噪音等种种优点。图2c所示是光子变压器的示意图：输入端连接着一个光二极管LED,正对着的输出端接着数个串联的光伏电池PV. 和a中的交流变压器类似，光子变压器将输入的电能转化成光能，串联的光伏电池将这些光子重新转化为电能。在这个转化过程中，输入端的电压和输出端的电压的比值可以通过调整LED和PV的数量比来任意调节。因为LED和PV现在都可以做到集成电路里，所以这种光子变压器可以做到非常小，重量可以非常轻。论文以“High-performance photonic transformers for DC voltage conversion”为题，发表在Nature Communications上。

这个通过光来实现变压的方法看似简单，实际上有不少难点。其中最大的难点就是效率问题。我们现在用的高效LED照明灯的电能到光能的转换效率大多都在20%以内。光子变压器的输入端和输出端有两次转化，这样估算下来光子变压器效率在5%左右，根本无法与现有的直流变压器技术（可达80-90% 以上）竞争。这一点也被一些相关工作从侧面证实[2]。

图3. a, c空气作为介质的情况下 LED和 PV之间的光子传递模式。b, d 高介电常数材料作为介质的情况下 LED和 PV之间的光子传递模式[1]。

新设计的光子变压器提出了一个新的思路从根本上解决了这个难题。之前的问题其实出在光子在不同媒介中传递的效率问题上。如果我们考虑 光子在LED和 PV之间的传递过程。当中间是空气媒介的时候，光子在LED内产生后，必须要通过空气才能到达PV。然而空气中能够支持的光子传递模式有限，大量的在LED中产生的光子被困在LED里无法及时脱离LED而最终只能转变为热能损耗。这就是造成效率低下的原因。新设计的光子变压器中，发明者抛弃了传统的空气作为介质的传递模式，而是采用了高介电常数的透光介质，这样一来，大量的光子传递模式被打开，LED和PV之间的光子传递变得畅通无阻，电光转换和光电转换的效率都得到了极大的增强。这种效应和进场的光子隧穿效应有着异曲同工之妙，后者经常被用到增强辐射传热的应用之中[3]。

图4. a, 基于氮化镓（GaN）的光子变压器一体化示设计示意图。b, 在各种程度的内在电阻引起的损耗下，光子变压器的变压比和变压效率的变化[1]。

基于上述的原理，发明者提出了图4中的基于氮化镓的一体化光子变压器设计。氮化镓作为一种高性能的半导体，可以极大程度减少电能和光能之间互相转化造成的损耗。氮化镓PV和LED之间加入了高介电常数的AlGaN夹层，用来给光子提供足够的传递模式，以提高整体效率。在考虑各种重要的损耗之下，这样设计的氮化镓光子变压器的转化效率可以达到极高的90%左右。而且随着半导体技术的进一步提高，转化效率还可以继续得到提升。

图5. a, 对比实验中所使用的商用直流变压器和测试其电磁辐射的天线。b, 实验测试的商用直流变压器的电磁辐射。c, 概念验证实验中样板电路的设计。d, 实验测试的样板光子变压器的电磁辐射。[1]。

除了效率高，体积小之外，光子变压器还有一个重要优点，就是它基本上不产生电磁干扰。为了展示这个优点，发明者利用市面上现有的中红外LED和 PV设计了一个概念验证实验。实验中的电路包含了100个并联的LED和100个串联的 PV。发明者测试了市面上高性能直流变压器和光子变压器所产生的电磁辐射波谱，如图所示的商用的直流变压器的辐射波谱包含了对应于内部谐振电路各次谐波的辐射，而且辐射的强度非常高。然而光子变压器除了热噪声之外，没有任何其他的电磁辐射来源了。值得一提的是实验中所使用的LED和PV并不是高性能产品（每个成本大概在0.5元），整个的样板电路依然提供了大约40倍的变压比，这是文献中基于光子转化方式实现的最高值。

总体上说，新提出的光子变压器设计方案使得这个技术拥有了诸多现有变压技术不具备的优点。在未来，可能我们每个人所携带的电子设备中，医疗设备的供电单元里，甚至是我们身体中植入的电子设备里，都会有电子变压器的身影。我们在享受它小型化的同时，也不用再担心任何电磁辐射所带来的健康问题。随着半导体技术的提高，大面积的光子变压器或许可以在将来的某一天应用到输电网络之中。如果在一个世纪多之前就有这样的技术，爱迪生就可以让他喜欢的直流电大展拳脚，那我们现在家里插座输出的说不定就是直流电了。

*中国科协科学技术传播中心支持

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赵博博士简介：

赵博博士于2011年获得中国科学技术大学近代力学系学士学位，2016年于佐治亚理工学院机械工程系取得博士学位，2017年加入斯坦福大学电子工程系从事博士后研究。2021年加入休斯顿大学机械工程系任助理教授。

赵博博士主要从事热辐射、微纳尺度光子学以及相关领域研究。曾经在国际上首次提出用于新能源转换的光电耦合转换电路，发现了拓扑材料中打破基尔霍夫辐射定律的热辐射特性，实验上实现了超越于黑体辐射极限10倍以上的大面积近场辐射换热增强，并提出多种至今仍然在多项指标上保持记录的高性能光子引擎（光子热电转换装置）。研究成果发表于自然通讯，美国国家科学院院刊，纳米快报，国际传热传质等。

赵博博士实验室正在招收全奖博士生，欢迎各种背景，包括热科学，力学，光学，物理学或材料科学等同学申请，联系方式：bzhao8@uh.edu。

参考文献：

1.Zhao, B., Assawaworrarit, S., Santhanam, P., Orenstein, M., and Fan, S., “High-Performance Photonic Transformers for DC Voltage Conversion,” Nature Communications 12, 4684 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-24955-3

2.Wilkins, M. M. et al. “Ripple-free boost-mode power supply using photonic power conversion,” IEEE Transactions on Power Electronics 34, 1054–1064 (2019).

3.Zhao, B., and Zhang, Z.M., “Enhanced Photon Tunneling by Surface Plasmon-Phonon Polaritons in Graphene/hBN Heterostructures,” ASME Journal of Heat Transfer, 139, 022701 (2017).

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-021-24955-3