弗吉尼亚理工大学的工程师获得NSF资助以研究光驱动半导体技术

弗吉尼亚理工大学四名电气和计算机工程师的研究将未来半导体技术与电网排放的温室气体减少结合起来。

首席研究员 Yuhao Zhang 和布拉德利电气与计算机工程系的其他三位教授 获得了国家科学基金会电气、通信和网络系统旗舰项目 ASCENT 提供的 150 万美元赠款。

ASCENT 也被称为通过工程团队解决系统挑战，专注于未来的半导体技术。张和他的团队提出了一种首创的光驱动半导体技术，用于电网电力电子。

该项目的主要合作者包括 阿灵顿和布莱克斯堡电力电子系统中心 (CPES)以及光子技术中心 (CPT)的教员。这两个研究中心都位于弗吉尼亚理工大学，在各自的重点领域处于世界领先地位。

与电力电子、微/纳米电子器件和先进半导体材料领域的专家张合作的是助理教授董东和克里斯蒂娜迪马里诺以及副教授贾晓婷。

董是 电力电子系统中心的教员，在电力电子和电源转换系统方面具有研究专长。DiMarino 也是该中心教员的成员，并且在电力电子封装方面拥有专业知识。Jia 是光子技术中心的教员，具有基于光纤的神经接口、纳米生物接口以及光纤传感器和设备的背景。

目前的电网主要依靠煤炭和天然气发电。此外， 发电约占温室气体排放量的 25%。 为了减少这种环境影响，该团队将利用超宽带隙半导体材料的独特电子和光学特性，这些材料可以承受非常高的电场。

电网中的半导体设备可以被认为是打开和关闭的“开关”。当开关打开时，它允许电流流动。当它关闭时，它会阻止电源电流。这些打开和关闭的“开关”对电网很重要，因为它们决定了何时应该和不应该出现功率流动。

当今的大多数电源开关都是电驱动的，这意味着它们依靠基极驱动电流或栅极驱动电压来打开和关闭设备。随着越来越多的可再生能源和更高的功率水平被引入电网结构，所需的高开关频率增加了“噪声”的风险。此外，堆叠数百个设备以增强功率意味着它们很难同步驱动。

DiMarino 解释了电子半导体目前的挫折和光驱动设备的潜力。她说，当出现电噪声时，设备可以非常快速地打开和关闭，也称为误触发，会造成干扰。对于多个设备，非同步驱动也会导致误触发。这可能会导致短路等问题，并最终导致电网出现系统故障。

光驱动半导体根据光生原理工作，使用来自激光光纤的光源来打开和关闭开关。这种方法提供了更多的抗噪性，因为使用光子或光而不是电子。快速的光速可以实现驱动数百个设备的理想同步，并且可以减少所需电子元件的数量。

将这些设备实施到半导体电网中将大大简化电网规模电力的复杂性，从而大大提高可扩展性、效率、交互性和弹性。

Zhang 最近与 剑桥大学和南加州大学的 教员 合作 ，在Nature Electronics上 发表了一篇 关于功率半导体和功率电子领域的综述。

“功率半导体市场已达到 400 亿美元， 预计到 2030 年将增长一倍以上，”张说。“功率半导体的创新是数据中心、电动汽车和电网节能的驱动力。因此，它是实现前所未有的二氧化碳减排，打造更绿色、更可持续的环境的关键。”

张指出了电气和计算机工程系的实力以及可用于此类创新项目的研究人员的素质。

“我们的部门非常多元化和跨学科，”张说。“该部门的一个独特之处在于，我们不仅与个人合作，而且还与不同的中心合作——在本例中，是 CPES 和 CPT。这些研究中心增加了另一个加强联系的机会。”

在整个四年的时间表中，每个团队成员都将在不同阶段为项目的不同领域做出贡献。Zhang、Jia 和 Dong 都是国家科学基金会 CAREER Award 的获得者，他们在各自领域拥有深厚的知识。DiMarino 获得了弗吉尼亚理工大学工程学院杰出新助理教授奖和 DOE ARPA-E OPEN 2021 奖。

作为 ASCENT 资助的一部分，该团队将提供教育机会，以培训半导体技术、光学系统、电力电子和微电子领域的未来工程师。 研究人员将与电气和计算机工程专业设计经验团队合作，这是一门为期两个学期的高级设计项目课程，可为学生提供类似行业的经验。

团队成员还将在他们当前的本科和研究生课程中添加与项目相关的课程。通过额外访问电力电子系统资源中心，学生将在与行业专业人士互动的同时获得真实世界的学习体验。

研究人员还计划与弗吉尼亚理工大学 工程多样性增强中心合作 ，向学生，尤其是初中和高中女生介绍半导体、电力电子和纳米技术。由此产生的夏令营将提供新技术的实践经验。

基于正在进行的研究、正在开发的技术以及为学生提供的培训，张对电网的未来充满希望——所有这些都集中在半导体领域。

“我们要开发的进步是为了下一代电力电子，”张说。“如果成功，希望在 10 到 20 年内，我们可以将这些设备内置到系统中。”