美国能源部 (DOE) 启动了一条新的“赋能”途径，通过电力电子结构，实现并维持国家不断发展的电网的巨大转型，并实现先进的半导体材料、设备和功率模块技术。

该机构于 11 月 21 日公布了该机构的首批奖项——为 11 个州的 15 个项目提供 4200 万美元——根据 ULTRAFAST 计划，这是一项高级研究计划署能源 (ARPA-E) 计划，于 2023 年 2 月启动。 器件和电源模块级，ULTRAFAST（通过更快地驱动功率半导体技术解锁持久的变革性弹性进步）的一个关键计划目标是在更高的电流和电压水平下实现更快的开关和触发，以改善对电网的控制和保护。

虽然推进“低级”电网组件的“自下而上”方法与美国能源部最近宣布的高调和数十亿美元的努力形成鲜明对比，以解决不断变化的发电、输电和配电缺口，但 ULTRAFAST 的第一个项目 旨在改变电网的电力管理和控制，并实现未来的自主配电系统。

美国能源部长詹妮弗·格兰霍姆（Jennifer Granholm）在一份电子邮件声明中告诉《POWER》：“对我们国家老化的电网进行现代化改造对于加强我们的国家和能源安全至关重要，对于实现拜登总统到 2050 年净零经济的宏伟目标也绝对至关重要。” “这项新投资将支持全国各地的项目团队开发我们所需的创新技术，以加强电网安全，为更多家庭和企业带来可靠的清洁电力，同时应对气候危机。”

关键但不可见的电网组件：电力电子器件

正如一位 ULTRAFAST 项目主管向 POWER 解释的那样，挑战的核心在于美国电网的基础设施已有 60 多年的历史。 电网还日益面临着越来越多的风险，包括日益频繁的恶劣天气事件、网络和物理威胁，但它还必须抵御电磁脉冲和空间天气事件等新出现的威胁。 随着能源转型的展开，由于电气化将大幅增加需求，以及分布式能源（DER）和间歇性可再生能源份额的增加，电网面临着进一步的复杂性。

然而，电网灵活满足新需求的能力通常受到其调节能力的限制。 在高中压 (H/MV) 级别，电力流目前主要由变电站输送，变电站依赖于传统的机电设备、低频变压器和慢速保护设备。 这些组件的反应时间可以跨越多个生产线周期。 美国能源部表示，这限制了电网控制、吸收、重新路由和隔离潮流的能力，从而带来重大风险和漏洞，包括级联停电。

几十年来，创新为行业提供了更灵活的电力电子系统，这些系统提高了特定电子接口的可控性、性能和能源可用性。 电力电子设备通常位于电网与电源或电网与消耗点之间，执行控制和处理高电压和电流以提供支持各种需求的电力的关键功能。

在电网层面，基于电力电子的接口通常由半导体驱动或半导体控制设备组成的模块组成。 美国能源部解释说，半导体开关器件“是任何电力电子系统的关键元件，它决定运行频率和功率水平，以及转换器损耗的很大一部分”。 这些设备控制电流和电压的流动，例如，将交流电转换为直流电、直流电转换为交流电，或者改变同一电流类型内的电压电平和频率。 示例包括固态变压器、故障限流器、高压直流 (HVDC) 和潮流控制器。

目前，美国能源部预计基于电力电子的接口的使用将大幅增加。 到 2030 年，预计 80% 的电网电力将通过电力电子设备流动。 它还指出，电力电子技术已经在电动汽车、船舶和飞机等其他应用中取代传统的热、机械、液压和气动系统。 报告称，电力电子器件被纳入众多新领域是“受到性能、效率和可靠性提升以及尺寸、重量和运营成本降低的推动”。

该机构补充道，电力电子转换系统也为电网展现了巨大的前景，因为它们能够“解耦系统电源、配电和负载之间的动态，同时提高系统的可控性、可靠性、弹性和效率”。 电力电子接口进步所带来的潜在灵活性、控制力和效率也有可能最大限度地减少到 2050 年实现净零排放目标所需的输电和配电水平。

实现网格敏捷性和性能的新方法

然而，要实现电网应用的优势，需要强调性能增益的新方法（例如 H/MV 级别的电压和电流运行）以及更快的驱动速度，从而可以实现更好的控制和保护方法，同时减少转换器的工作量。 美国能源部强调，尺寸和功耗。

如今的一个关键问题是，由于成本、制造和工艺成熟度，硅一直是功率器件的首选半导体材料。 但由于硅的固有材料特性受到低带隙和临界电场的限制，硅器件在阻断电压能力、工作温度和开关频率方面已达到其工作极限。

“当前的[硅]器件无法达到H/MV电网应用所需的电流和电压水平，需要在多层模块中串联和/或并联堆叠多个器件。 这对可靠性提出了挑战，并由于零件数量增加而带来了额外的复杂性和成本，”美国能源部指出。

2 月份，ARPA-E 推出了 ULTRAFAST 来解决这一障碍。 ULTRAFAST 旨在培育“创造更快开关、更高额定值的器件和电源模块技术”的项目。 作为其职权范围的一部分，该计划将寻求改进超快半导体器件和模块，通过实现非常快的旁路、分流或中断功能以及高开关频率来实现高电流和电压水平下的保护功能 可以实现高功率、高速电力电子转换器的设备和模块。

一位机构项目主管告诉 POWER，ULTRAFAST 的一个关键目标是提高硅、宽带隙 (WBG) 和超宽带隙 (UWBG) 半导体器件的性能极限。 该官员表示，WBG 半导体（碳化硅和氮化镓）和 UWBG 半导体（氮化铝镓、金刚石、氧化镓和氮化硼）的发展为高性能器件带来了有希望的新机遇。

美国能源部表示，这些半导体“具有卓越的电气和热特性……可以规避[硅]的材料限制，并为实现电网应用的功率器件提供有吸引力的替代方案。” 一个很大的吸引力是，这些半导体可以实现更薄、掺杂更高的电压阻挡层，这可以将多数载流子架构中的导通电阻相对于等效硅器件降低“一个数量级”。

“WBG 和 UWBG 半导体的特性允许设备在更高的电压、频率和温度下运行，为 H/MV 电网应用提供更高效、更轻、更小和更高温度的电力电子器件。” 说。

然而，WBG 和 UWBG 材料的开发仍然“相对不成熟，仍处于初级阶段”，它承认。 特别是 UWBG 遭受了“重大挑战，例如掺杂困难、材料质量、成本以及由此产生的可制造性”。

ULTRAFAST 的另一个重要研发目标是开发和演示电压和电流的无线传感、具有集成无线执行器和设备/模块级保护的高密度封装、功率单元级电容器和电感器以及热管理策略。 ULTRAFAST 总监解释说，当电压从更高的电压和更快的电流切换时，会产生电磁干扰，可能会干扰相邻设备的功能。 这通常限制了对串联或并联组合布置的多个设备进行电子控制的能力。

这位官员表示，“光控制”和其他无线控制的想法可以消除电线和电磁干扰，这些干扰迄今为止阻碍了更高电压的操作和电流的快速切换。

拟议的创新重点关注电网控制、效率和保护

美国能源部周二公布的奖项涉及多项超快研发目标。 该机构的最高奖项 310 万美元将授予加州大学圣巴巴拉分校的一个项目，该项目专注于开发 UWBG 开关器件，以实现比现有技术更高的电压和速度，从而为电网提供更先进的控制方法。 德克萨斯理工大学将单独专注于使用先进 UWBG 材料的光电导半导体开关器件。

与此同时，由 GaNify、佐治亚理工学院和劳伦斯利弗莫尔国家实验室牵头的项目将开发先进的半导体器件，增强电力电子转换器的控制和效率，以实现更可靠的电网。 这包括 III 族氮化物等宽带隙材料的创新。 总部位于密歇根州的 Great Lakes Crystal Technologies 公司将单独开发一种金刚石半导体晶体管，以支持 DER 和可变负载集成。

Opcondys、桑迪亚国家实验室和威斯康星大学麦迪逊分校将开展专注于电网瞬态浪涌和电磁脉冲保护的项目，采用光控设备和固态避雷器来提高电网的弹性。

其他几个项目将探索光触发技术的开发。 ULTRAFAST 告诉 POWER，光学触发实现的一个重要功能是通过简单的光学调制实现对器件电压和电流转换速率（开关转换）的独立控制。 据美国能源部称，劳伦斯利弗莫尔国家实验室、伊利诺伊大学香槟分校、NextWatt、威斯康星大学麦迪逊分校和宾夕法尼亚大学正在开发光触发半导体晶体管和 UWBG 光学器件。

最后，田纳西大学将开发可扩展的“光触发”半导体开关模块，具有集成传感功能，用于电网保护，而康涅狄格州的 RTX 技术研究中心将开发由无线射频信号触发的半导体开关模块。

时间表和部署

据ULTRAFAST称，该项目奖项将持续三年。 虽然美国能源部正在 ULTRAFAST 计划下推行“组合”方法，但一位官员表示，如果一切顺利，一些获奖者可能准备在项目时间范围内实现初步功能演示。 这位官员指出，获奖者已经在与公用事业和行业利益相关者进行对话。

然而，与大多数同类首创技术一样，它们最终的商业应用可能会更加渐进。 这位官员表示，成本是最明显的障碍，并指出没有什么新产品比现在更便宜。

这位官员指出，特别是在半导体领域，产量可以降低成本。 这位官员表示，虽然碳化硅和氮化镓等宽带隙材料目前比硅更贵，而超宽带隙材料甚至比宽带隙材料更贵，但这些材料的增长率让美国能源部希望它们能够达到成本平价。

除了成本障碍外，该官员还指出，WBG 和 UWBG 材料还需要克服材料成熟度问题。 由于这带来了投资风险，该官员指出，ARPA-E 探索“使能”技术并可能在联邦计划下引导其商业化的研发工作尤其重要。