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美國能源部變革性清潔能源技術(shù)研發(fā),為什么青睞WBG和UWBG?

字體: 放大字體  縮小字體 發(fā)布日期:2023-07-11  來源:電力電子產(chǎn)業(yè)網(wǎng)  瀏覽次數(shù):2965
         據(jù)估計,不可預(yù)見的電網(wǎng)中斷每年將使美國經(jīng)濟(jì)損失1500億美元。美國能源部表示,提高美國電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的效率和抵御極端天氣事件的能力,對確保清潔能源和交通選擇能夠到達(dá)全國各地的社區(qū)至關(guān)重要。電網(wǎng)現(xiàn)代化也將支持拜登總統(tǒng)加快可再生能源的部署,促進(jìn)國家能源獨立,并在2035年實現(xiàn)100%清潔電力的目標(biāo)。

前不久,美國能源部(DOE)宣布再投4800萬美元資金,用于開發(fā)電網(wǎng)技術(shù),以改善美國國內(nèi)電網(wǎng)的控制和保護(hù)。其中特別提到寬禁帶(WBG)和超寬禁帶(UWBG)半導(dǎo)體研發(fā)與應(yīng)用。

 

上述稱為ULTRAFAST的項目旨在通過功率半導(dǎo)體技術(shù)的更快驅(qū)動來解決持久的變革彈性進(jìn)展,目標(biāo)是提高硅、寬禁帶和超寬禁帶半導(dǎo)體器件的性能極限,從而在更高的電流和電壓水平下實現(xiàn)更快的切換和/或觸發(fā),從而改善電網(wǎng)的控制和保護(hù)。ULTRAFAST將資助旨在使公用事業(yè)更有效控制電網(wǎng),以避免干擾、快速隔離和繞過干擾。

ULTRAFAST由美國能源部能源先進(jìn)研究計劃署(ARPA-E)管理,包括幾個方面:

一是器件和/或模塊技術(shù):通過納秒級反應(yīng)時間和相應(yīng)的轉(zhuǎn)換速率在盡可能低的集成水平下實現(xiàn)非??焖俚呐月?、分流或中斷能力,以實現(xiàn)高電流和電壓水平的保護(hù)功能。

二是提升開關(guān)速度:開發(fā)和實現(xiàn)高效、高功率、高速電力電子轉(zhuǎn)換器的高開關(guān)頻率器件和/或模塊。

三是互補技術(shù):利用電壓和電流的無線傳感、集成無線致動器和設(shè)備/模塊級保護(hù)的高密度封裝、動力電池級電容器和電感器及支持上述實現(xiàn)技術(shù)的熱管理策略。

ARPA-E非常重視超快觸發(fā)半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)展,試圖利用此類器件幫助美國實現(xiàn)發(fā)展未來高性能彈性電力系統(tǒng)的國家目標(biāo)。

變革性清潔能源技術(shù)研發(fā)

變革性清潔能源技術(shù)研發(fā)一直是ARPA-E的目標(biāo),2022年4月,新一期OPEN2021開放招標(biāo)計劃資助1.75億美元支持國家實驗室、高校和企業(yè)協(xié)同開展具有潛在顛覆性影響的變革性清潔能源技術(shù)研發(fā),確保美國在未來綠色能源技術(shù)的全球領(lǐng)導(dǎo)地位,同時助力美國2050年實現(xiàn)凈零排放目標(biāo)。是次資助聚焦十三個領(lǐng)域,其中與半導(dǎo)體相關(guān)的研究如下:

建筑能效:研究新型基于氮化鎵(GaN)半導(dǎo)體的直接發(fā)射綠光的發(fā)光二極管(LED),以加速固態(tài)照明(SSL)光源的使用和普及。

分布式能源:設(shè)計和建造能夠利用可再生能源直接將煙道氣中的CO2電催化還原為高價值化學(xué)品(如乙醇、丙醇等)的高性能反應(yīng)裝置,以實現(xiàn)綠色高效減排。

電力電子器件和設(shè)備效率:

•突破性無線充電系統(tǒng),為電動汽車靜態(tài)和動態(tài)充電,大幅減少對昂貴和笨重車載電池需求,提高續(xù)航里程,加速電動汽車的普及;

•開發(fā)性能大大超過目前電力電子器件的GaN基二極管和晶體管;

•通過增材制造技術(shù)制造具有網(wǎng)絡(luò)狀結(jié)構(gòu)的非晶金屬氧化物軟磁復(fù)合材料(SMC),降低成本,減少浪費;

•為電力電子模塊開發(fā)3D打印陶瓷封裝,以改善其熱管理、功率密度、性能和壽命;

•開發(fā)數(shù)據(jù)中心節(jié)能兩相冷卻系統(tǒng),減少冷卻能耗并減少用水;

•開發(fā)高性能冷卻板,將換熱速率提高3倍,提高數(shù)據(jù)中心未來服務(wù)器的能源效率;

•開發(fā)高效、資源節(jié)約的熱能設(shè)備,同時提高服務(wù)器冷卻效率,直接用于建筑供暖與制冷的高質(zhì)量熱能;

•開發(fā)能量高達(dá)數(shù)十兆電子伏特的氮化硼快中子探測器(FND),用于反應(yīng)堆高溫高輻照的極端環(huán)境中直接監(jiān)測反應(yīng)堆和燃料狀態(tài)。

電網(wǎng)技術(shù)研發(fā):

•開發(fā)高比例可再生能源并網(wǎng)電網(wǎng)高效穩(wěn)定運營技術(shù),包括:用100千伏GaN光導(dǎo)半導(dǎo)體開關(guān)取代傳統(tǒng)硅技術(shù)制造的半導(dǎo)體開關(guān);結(jié)合電力電子的功能與高壓電纜功率密度優(yōu)勢的一體化結(jié)構(gòu),以取代電網(wǎng)中笨重、不靈活的變電站;開發(fā)創(chuàng)新的逆變器電力系統(tǒng)保護(hù)方案,提高可再生能源并網(wǎng)比例。

•圍繞電網(wǎng)開發(fā)相關(guān)的算法、模型、軟件和控制技術(shù),優(yōu)化電網(wǎng)運行效能,包括利用超導(dǎo)架空和地下輸電線路輸送電力;開發(fā)模塊化彈性微電網(wǎng)控制集成平臺,實現(xiàn)微電網(wǎng)協(xié)調(diào)和控制。

•針對電源系統(tǒng)和新能源研發(fā)能源技術(shù),包括基于GaN的小型脈沖電源系統(tǒng)架構(gòu),將電容器尺寸減小10倍,提高脈沖電源功率密度和功率轉(zhuǎn)換器壽命。

交通工具研究:

開發(fā)新型磁體,以提高磁體的運行能量密度,提高電機(jī)效率;開發(fā)高功率密度的電機(jī),特別是功率高達(dá)10兆瓦及以上的電動飛機(jī)推進(jìn)系統(tǒng);開發(fā)自動電池驅(qū)動軌道車輛運輸系統(tǒng),使終端變得更小、更清潔;為電動飛機(jī)開發(fā)超輕、高效的DC-DC轉(zhuǎn)換器,減少溫室氣體排放量和噪音污染。

ARPA-E發(fā)展15年

ARPA-E成立于2007年,旨在激勵和開發(fā)滿足清潔、低廉與可靠能源的強烈需求,實現(xiàn)顛覆性創(chuàng)新、具有變革意義和潛在巨大應(yīng)用價值的高風(fēng)險能源研究項目,推動革命性能源技術(shù)的開發(fā)。

2009以來,ARPA-E已提供超過15億美元資金,資助36個重點項目和3個開放式支助項目,共計580多個子項目,263個子項目已完成。許多團(tuán)隊成功利用ARPA-E投資,56個子項目形成了新的公司,68個子項目繼續(xù)與其他政府機(jī)構(gòu)合作開展研究,74個研究團(tuán)隊從市場募集了超過18億美元的資金,用于將技術(shù)推向市場。

2016年,ARPA-E出版第一次成果匯編,總結(jié)了在短短7年時間里通過資助一系列先進(jìn)能源技術(shù)的研究,使美國解決最緊迫的能源挑戰(zhàn)。其投資繼續(xù)得到回報,一些技術(shù)成功商業(yè)化,加速了能源科技的發(fā)展。2017年2月,ARPA-E出版了第二次成果匯編,介紹ARPA-E成功案例,包括將在未來產(chǎn)生重要影響的原創(chuàng)成果和開始滲透市場的各種產(chǎn)品。

ARPA-E除了設(shè)立特定領(lǐng)域主題研究計劃外,還每三年開展一次開放式項目招標(biāo)計劃。OPEN招標(biāo)計劃于2009年推出,旨在支持非共識探索研究和機(jī)會型探索研究,避免遺漏在主題研究領(lǐng)域之外的創(chuàng)新思想。2009年第一輪開放式招標(biāo)(OPEN 2009)資助1.67億美元,2012年第二輪(OPEN 2012)資助1.3億美元,2015年第三輪(OPEN 2015)資助1.25億美元,2018年第四輪(OPEN 2018)資助1.99億美元。

ARPA-E項目相關(guān)半導(dǎo)體技術(shù)

高效電能傳輸技術(shù):提升電能轉(zhuǎn)換的基本元器件,包括電路、晶體管、電感器、變壓器和電容器,為更高效的能量轉(zhuǎn)化鋪平道路。

儲能設(shè)備先進(jìn)管理與保護(hù):開發(fā)先進(jìn)的傳感、控制和電源管理技術(shù),重新定義電池管理。

電動汽車電池:開發(fā)各種將使電動汽車和插電式混合動力汽車達(dá)到或超越汽油動力汽車價格和性能的可充電電池技術(shù),使人們愿意駕駛電動汽車。

集成微型優(yōu)化太陽能電池陣列:開發(fā)技術(shù)和理念,降低太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)的成本,提高性能。

道路車輛自動連接的新一代能源技術(shù):利用自動化協(xié)同連接優(yōu)化車輛動態(tài)控制和動力系統(tǒng),降低車輛能耗。

高效太陽能電力技術(shù):將太陽光轉(zhuǎn)化為電能,將先進(jìn)電氣元件集成到光伏系統(tǒng)中,使太陽能轉(zhuǎn)化為電能更加高效。

寬禁帶、低成本晶體管研發(fā):開發(fā)新一代功率開關(guān)器件,提高能源效率,包括新的照明技術(shù)、計算機(jī)電源和工業(yè)電機(jī),特別是寬禁帶半導(dǎo)體材料和器件結(jié)構(gòu),減少功率損失,大大降低成本。

 超寬禁帶半導(dǎo)體研發(fā)與應(yīng)用

在寬禁帶半導(dǎo)體材料之后,更新的超寬禁帶半導(dǎo)體材料也已出現(xiàn)。超寬禁帶半導(dǎo)體代表半導(dǎo)體材料、物理、器件研究和應(yīng)用領(lǐng)域一個令人興奮并具有挑戰(zhàn)性的新領(lǐng)域,其禁帶顯著寬于GaN的3.4 eV,例如AlN寬度可達(dá)6.0 eV左右。

研究發(fā)現(xiàn),器件性能的許多品質(zhì)因數(shù)與禁帶呈非線性關(guān)系,人們早就發(fā)現(xiàn)這些半導(dǎo)體在高功率和RF電子學(xué)、深紫外光電子學(xué)、量子信息和極端環(huán)境有很大應(yīng)用潛力。最近幾年,超寬禁帶半導(dǎo)體材料,如氧化鎵、AlGaN、金剛石和Ga2O3和立方氮化硼等,才逐漸成熟應(yīng)用,展示了優(yōu)于寬禁帶材料的一些誘人的優(yōu)勢和性能潛力。

自半導(dǎo)體誕生以來,科學(xué)好奇心一直在驅(qū)使半導(dǎo)體材料技術(shù)的進(jìn)步。盡管取得了很大進(jìn)展,但對于超寬禁帶半導(dǎo)體還沒有實現(xiàn)像GaN的p型摻雜的有效摻雜濃度,需要行業(yè)進(jìn)一步研究優(yōu)化,解決超寬禁帶半導(dǎo)體室溫下實現(xiàn)自由載流子濃度的難題。

例如,要實現(xiàn)芯片級金剛石的工業(yè)化,需要解決提高金剛石純度、制作大尺寸金剛石薄片等一系列系統(tǒng)性技術(shù)挑戰(zhàn);氧化鎵在耐壓、電流、功率、損耗等維度都有其優(yōu)勢,但大功率、高效率電子器件還處于實驗室研發(fā)階段,需要解決大規(guī)模實際應(yīng)用的問題。

美國目前正從前沿軍事技術(shù)布局角度大力發(fā)展氧化鎵材料。隨著技術(shù)的進(jìn)步,超寬禁帶材料就與寬禁帶半導(dǎo)體材料一起開拓更為廣闊的應(yīng)用市場。中國已將氧化鎵列入“十四五重點研發(fā)計劃”,許多科研院所和企業(yè)正在為發(fā)展相關(guān)技術(shù)而努力。

 

 
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