12 декабря 2022 г.
Главный Исследователь Юхао Чжан и трое других профессоров кафедры электротехники и вычислительной техники Брэдли получили грант в размере 1,5 млн долларов от флагманской программы ASCENT (Решение системных проблем с помощью инженерных групп) Национального научного фонда США. полупроводниковых технологий будущего.
Чжан и его команда предлагают то, что считается первой в своем роде полупроводниковой технологией с оптическим приводом для использования в электросетях. электроника.
Среди ключевых участников проекта — преподаватели Центра власти. Электронные системы (CPES) в Арлингтоне и Блэксбурге и Центр фотонных технологий (КПТ). Оба этих исследовательских центра базируются в Вирджинии. Тех.
Работа с Чжаном (экспертом в областях власти электроники, микро/наноэлектронных устройств и передовых полупроводниковых материалов) являются доцентами Дун Донг и Кристина ДиМарино и доцент Сяотин Цзя.
Донг – преподаватель Центра власти. Электронные системы с исследовательским опытом в области энергетики электроника и мощность системы преобразования. ДиМарино также является членом факультета этого центра и имеет опыт работы с властью. упаковка электроники. Цзя — преподаватель Центра фотонных технологий с опытом работы в области волоконных нейронных сетей. интерфейсы, нано-биоинтерфейсы, волоконные датчики и устройства.
Существующая мощь США энергосистема в основном использует уголь и природный газ. газа для производства электроэнергии. Кроме того, на производство электроэнергии приходится около 25% парниковых газов. газовые выбросы. Чтобы уменьшить это воздействие на окружающую среду, команда будет использовать уникальные электронные и оптические свойства сверхширокозонных полупроводников, которые могут выдерживать очень сильное электрическое поле.
Большинство существующих силовых переключателей управляются электрически, полагаясь на ток базы или напряжение затвора для включения и выключения устройства. По мере того, как в структуру сети внедрялось больше возобновляемых источников энергии и более высокие уровни мощности, необходимая высокая частота коммутации увеличивала риск возникновения шума. Кроме того, объединение сотен устройств в стек для повышения мощности означает, что их синхронное управление затруднено.
Объясняя существующие недостатки электрических полупроводников и потенциал для устройств с оптическим управлением, ДиМарино говорит, что, когда возникают электрические помехи, устройства могут очень быстро включаться и выключаться (ложное срабатывание), что создает помехи. Для нескольких устройств несинхронное управление также приведет к ложному срабатыванию. Это может вызвать такие проблемы, как короткое замыкание и, в конечном итоге, сбой системы в сети.
Полупроводники с оптическим приводом работают по принципу фотогенерации, используя источник света из лазерного волокна для включения и выключения переключателя. Такой подход обеспечивает большую помехоустойчивость, поскольку вместо электронов используются фотоны. Быстрая скорость света обеспечивает идеальную синхронизацию для управления сотнями устройств, а количество необходимых электрических компонентов может быть уменьшено.
По словам исследователей, внедрение этих устройств в полупроводниковую энергосистему значительно упростит сложность энергосистемы, что приведет к значительному повышению масштабируемости, эффективности, интерактивности и отказоустойчивости.
Чжан недавно опубликовал обзор в области силовых полупроводников и силовой электроники в журнале Nature Electronics в сотрудничестве с преподавателями Кембриджского университета и Университета Южной Калифорнии.
«Рынок силовых полупроводников достиг 40 миллиардов долларов, и, по прогнозам, к 2030 году он увеличится более чем вдвое», — говорит Чжан. «Инновации в силовых полупроводниках являются движущей силой экономии энергии в центрах обработки данных, электромобилях и электросетях. Таким образом, это ключ к беспрецедентному сокращению выбросов углекислого газа для создания более экологичной и устойчивой окружающей среды».
«Наш отдел очень разносторонний и трансдисциплинарный, — говорит Чжан. «Уникальность отдела заключается в том, что мы сотрудничаем не только с отдельными лицами, но и с различными центрами — в данном случае с CPES и CPT. Эти исследовательские центры добавляют еще одну возможность укрепить связь», — добавляет он.
Каждый член команды будет вносить свой вклад в разные области проекта на разных этапах в течение четырехлетнего периода. Чжан, Цзя и Донг являются лауреатами премии Национального научного фонда «КАРЬЕРА» и обладают глубокими знаниями в своих областях. ДиМарино получил награду Технического колледжа Вирджинии за выдающийся новый доцент и награду DOE ARPA-E OPEN 2021.
В рамках гранта ASCENT команда предоставит образовательные возможности для подготовки будущих инженеров в области полупроводниковых технологий, оптических систем, силовой электроники и микроэлектроники. Исследователи будут сотрудничать с группой специалистов по электротехнике и вычислительной технике Major Design Experience, двухсеместровым курсом по проектированию для старшеклассников, который дает студентам опыт работы в отрасли.
Члены команды также добавят учебные программы, связанные с проектом, к своим текущим курсам бакалавриата и магистратуры. Благодаря дополнительному доступу к ресурсам Center for Power Electronics Systems студенты получат реальный опыт обучения, общаясь с профессионалами отрасли.
Исследователи также планируют сотрудничать с Центром повышения инженерного разнообразия в Технологическом институте Вирджинии, чтобы познакомить учащихся, особенно девочек средних и старших классов, с полупроводниками, силовой электроникой и нанотехнологиями. Созданные в результате летние лагеря предоставят практический опыт работы с новыми технологиями.
Чжан надеется на будущее сети, основанное на проводимых исследованиях, разрабатываемых технологиях и обучении студентов — все это сосредоточено в области полупроводников. «Улучшения, которые мы собираемся разработать, предназначены для следующего поколения силовой электроники», — говорит он. «В случае успеха мы надеемся, что через 10–20 лет мы сможем встроить эти устройства в систему».
