Luke Yates，左，桑迪亚国家实验室电气工程师，经过电网弹性专家Jack Flicker，这是一种带有二极管阵列的氮化镓晶片，可以在几十亿分之一秒内分流破纪录的6400伏的电力。鸣谢:桑迪亚国家实验室的科学家丽贝卡·古斯塔夫(Rebecca Gustaf)宣布了一种微小的电子设备，它可以在破纪录的6400伏下工作时，在几十亿分之一秒内分流多余的电力——这是保护国家电网免受电磁脉冲影响的重要一步。该团队于3月10日在科学杂志《IEEE电子设备汇刊》上发表了他们设备的制造和测试结果。该团队的最终目标是用一种工作电压高达20，000伏的设备来提供电压浪涌保护，电压浪涌可能导致长达数月的电力中断。相比之下，家用电吹风使用240伏的电压。
电磁脉冲(EMP)可能是由自然现象(如太阳耀斑)或人类活动(如大气中的核爆炸)引起的。电磁脉冲会在几十亿分之一秒内产生巨大的电压，可能会影响和破坏该国大片地区的电子设备。
桑迪亚半导体设备研究小组的经理鲍勃·卡普拉尔说，应急预案不太可能发生，但如果应急预案发生并损坏了构成我们电网主干的巨大变压器，可能需要几个月的时间来更换它们，并重新为该国受影响的地区供电。
“这些设备与保护电网免受电磁脉冲相关的原因不仅仅是因为它们可以达到高电压——其他设备可以达到高电压——而是因为它们可以在几十亿分之一秒内做出响应，”Kaplar说。“虽然该设备保护电网免受电磁脉冲的影响，但它的电压非常高，数千安培的电流通过它，这是一个巨大的功率。一种材料只能在一定时间内处理这么多功率，但我们认为我们二极管中的材料比其他材料有一些优势。”
用于电网的调节阀
新的桑迪亚设备是一个二极管，可以在几十亿分之一秒内分流破纪录的6400伏的电力——这是在保护国家电网免受电磁脉冲影响方面的一个重大进步。该团队包括桑迪亚电气工程师卢克·耶茨(Luke Yates)，论文的第一作者，正致力于制造一种能够在20，000伏左右工作的二极管，因为大多数电网配电电子设备在13，000伏左右工作。
桑迪亚高级科学家玛丽·克劳福德领导该项目的二极管设计和制造，她说，二极管是几乎每个电子设备中都有的电子元件，充当单向调节阀。二极管允许电流沿一个方向流过设备，但不允许电流沿另一个方向流动。它们可以用来将交流电转换成DC电能，在这个项目中，可以将有害的高压从敏感的电网变压器中转移出去。
Kaplar认为二极管的工作方式有点像管道中的调节阀。他说，“在调节阀中，即使你完全打开阀门，你也不能让无限量的水流过阀门。同样，你能流过我们二极管的电流也是有限的。如果管道上的阀门关闭，如果压力达到某一点，它就会爆裂。类似地，二极管不能阻挡无限大的电压。然而，我们的EMP设备利用二极管不再能够阻挡高压的点，将电压保持在该“压力”下，通过自身将过量电流分流到地面，并以可控的非破坏性方式远离电网设备。”
团队中的桑迪亚电网弹性专家Jack Flicker说，EMP引起的电压浪涌比闪电引起的电压浪涌快100倍，所以专家不知道旨在保护电网免受雷击的设备是否能有效抵御EMP。
“电网有许多不同的保护措施，”Flicker补充道。“它们的时间范围从非常快到非常慢，它们覆盖在电网上，以确保事件不会导致电网的灾难性停电。我们通常在电网上拥有的最快的保护措施是在百万分之一秒内对脉冲做出反应，以防止雷击。对于EMPs来说，我们说的是100亿分之一秒，快100倍。”
新的桑迪亚设备可以反应如此之快。
生长完美的层
Kaplar说，这种二极管的特殊之处在于它是由氮化镓制成的，这是led使用的基本材料。氮化镓是一种半导体，像硅一样。克劳福德说，但由于其化学性质，它在击穿之前可以承受比硅高得多的电压。这种材料本身的反应也非常快，因此是实现保护电网免受电磁脉冲所需的快速反应的良好候选材料。
她说，Crawford和材料科学家Brendan Gunning和Andrew Allerman通过使用一种叫做化学气相沉积的工艺“生长”氮化镓半导体层来制造这种装置。首先，他们将商用氮化镓晶片加热到大约1800华氏度，然后加入包含镓和氮原子的蒸汽。这些化学物质在晶片表面形成结晶氮化镓层。
通过调整成分和“烘烤”过程，该团队可以生产出具有不同电特性的层。通过以特定的顺序构建这些层，结合蚀刻和添加电接触等处理步骤，该团队生产出了具有所需行为的设备。
克劳福德说:“实现这些超高压二极管的一个主要挑战是需要非常厚的氮化镓层。”“这些器件的漂移区厚度约为50微米，相当于一张笔记本纸的1/6。这听起来可能不是很多，但我们使用的生长过程只能有每小时一到两微米的生长速度。第二个主要挑战是在整个生长过程中保持极低的晶体缺陷密度，特别是半导体材料中的杂质或缺失原子，以便制造出能够在这些极高电压下工作的器件。”
克劳福德说，为了实现在20，000伏下工作的设备的最终目标，他们需要将厚层生长得更厚，缺陷更少。她补充说，要构建一种可以在如此高的电压和电流下工作的设备，还有其他几个技术挑战，包括管理设备内部非常高的内部电场的设计。
测试超快二极管
一旦克劳福德的团队制造了这些设备，Flicker和他的团队就测试了这些设备对快速电压尖峰的反应，类似于EMP期间会发生的情况。他的挑战是修改一种工具来测量设备的快速响应时间。
“开发能够精确测量快速反应的工具非常困难，”Flicker说。“如果我们谈论的是十亿分之一或二十亿分之一秒，他们需要能够测量得更快，这是一个挑战。”
Flicker和他的团队使用非常专业的设备来施加高压脉冲，并测量从二极管反射回来的电脉冲，以非常准确地在不到十亿分之一秒的时间内告诉设备何时打开。
适用于智能变压器、太阳能电池板转换器等
Kaplar说，像Sandia氮化镓二极管这样的二极管设备可以用于其他目的，而不仅仅是保护电网免受EMPs的影响。其中包括用于电网的智能变压器、将屋顶太阳能电池板的电力转化为家用电器可用电力的电子设备，甚至电动汽车充电基础设施。
他补充说，通常，太阳能电池板转换器和电动汽车充电基础设施可以处理1200或1700伏的电压。但是在更高的电压下工作可以获得更高的效率和更低的电能损耗。Kaplar说，该项目的另一部分是为这些类型的设备开发二极管，这些设备可以在高电压下工作，但不是破纪录的电压，但更容易制造。海军研究实验室正在领导该项目的这一部分。
Flicker说，一些智能变压器和电子设备现在可以在高达3300伏的电压下工作，但如果一个半导体设备可以在10000或15000伏的电压下工作，效率会更高。
“我们的主要目标是保护电网，但这些设备还有其他用途，”Flicker说。“我们的应用领域很有意思，但要知道，这些器件可以用于电力电子器件、功率转换器以及任何非常高电压的器件。”
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