直流電(dc)為手電筒，智能手機(jī)和電動汽車供電，但是主要的電力用戶依賴于交流電(ac)，交流電每秒開閉60次。原因之一：當(dāng)出現(xiàn)問題(稱為故障)(例如樹倒在電源線上)時(shí)，交流電很容易關(guān)閉。

但是，直流電具有比其交替表親更高的固有優(yōu)勢，其中包括更高的效率以及在更長距離上承載更多功率的能力。隨著農(nóng)村地區(qū)的風(fēng)電場產(chǎn)生人口中心所需的電力，這可能變得越來越重要。未來的電動飛機(jī)和輪船很可能將由高功率密度直流系統(tǒng)供電。

當(dāng)一個(gè)周期內(nèi)的功率水平達(dá)到零(正弦波的零交叉點(diǎn))時(shí)，交流電可以關(guān)閉，這是斷路器保護(hù)從變電站到家庭安裝的現(xiàn)代電力系統(tǒng)的基礎(chǔ)。但是，如果沒有這些交流周期，直流電將沒有時(shí)間關(guān)閉電源。

由arpa-e的breakers計(jì)劃獲得330萬美元獎勵的新技術(shù)可以利用電力電子，壓電致動器和新型絕緣材料的創(chuàng)新來解決該問題，從而使大功率直流斷路器可行。佐治亞理工學(xué)院和佛羅里達(dá)州立大學(xué)(fsu)的研究人員期望使斷路器的開關(guān)速度比現(xiàn)有設(shè)備快十倍，并通過行業(yè)合作伙伴聯(lián)盟將該技術(shù)商業(yè)化。

佛羅里達(dá)州立大學(xué)中心研究員michael“ mischa” steurer說：“從交流到直流的過渡已經(jīng)在發(fā)生，它將為在未來的電氣系統(tǒng)和軍事平臺中高效，可控地管理電力開辟新的范式。”適用于高級電源系統(tǒng)。“這將得益于過去二十年來電力電子領(lǐng)域的驚人發(fā)展。”

研究小組正在開發(fā)的混合斷路器將在必要時(shí)使用非常大的晶體管堆疊來關(guān)閉dc。半導(dǎo)體傳導(dǎo)電流的效率不如常規(guī)機(jī)械開關(guān)，因此在正常條件下，電流將流過機(jī)械開關(guān)。但是，當(dāng)必須關(guān)閉電源時(shí)，電流將短暫流過電力電子設(shè)備，直到可以打開機(jī)械斷路器。

佐治亞理工學(xué)院電氣與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院的助理教授盧卡斯·格拉伯(lukas graber)解釋說：“我們正在提出一種混合式直流斷路器，該斷路器中的電流將有兩條路徑。” “一條路徑將流經(jīng)半導(dǎo)體，在需要時(shí)可以中斷電流。第二條路徑將流經(jīng)機(jī)械開關(guān)，機(jī)械開關(guān)將提供更少的電阻性路徑，對正常操作更有效。”

在普通的消費(fèi)電子應(yīng)用中，晶體管太小而看不到并只能承受幾伏特的電壓。用于直流開關(guān)的晶體管要大得多(一平方厘米)，數(shù)十或數(shù)百個(gè)晶體管將串聯(lián)或并聯(lián)組合，以提供足夠的容量來開關(guān)數(shù)千伏特。在電流流到固態(tài)晶體管通道后，壓電致動器將在電流過高之前迅速將機(jī)械開關(guān)中的觸點(diǎn)分開。一旦分離，就可以切斷流過晶體管的電流。

在低壓等離子體中評估材料。圖片提供：佐治亞理工學(xué)院電子和納米技術(shù)

格拉伯說：“我們需要非?？?。” “我們必須在250微秒內(nèi)分離觸點(diǎn)，并在500微秒內(nèi)(僅半毫秒)完全斷開電流。因此，我們不能使用交流斷路器通用的彈簧執(zhí)行器或液壓執(zhí)行器。依靠壓電效應(yīng)的設(shè)備可以為我們做到這一點(diǎn)。”

佐治亞理工學(xué)院和fsu的研究人員已經(jīng)為擬議的直流斷路器的組件開發(fā)了知識產(chǎn)權(quán)，并將共同努力以結(jié)合這些技術(shù)。該項(xiàng)目被稱為帶電涌保護(hù)的高效直流中斷器(edison)。

steurer說：“我們將把固態(tài)和機(jī)械等截然不同的技術(shù)的優(yōu)勢結(jié)合到一個(gè)整體上比單個(gè)組件更好地運(yùn)行的系統(tǒng)中。” “系統(tǒng)的各個(gè)部分必須在半毫秒內(nèi)無縫協(xié)作才能實(shí)現(xiàn)我們的目標(biāo)。”

研究人員(包括佐治亞理工學(xué)院venturelab首席研究員喬納森·高德曼(jonathan goldman)副教授maryam saeedifard和佐治亞理工學(xué)院的博士后研究員chanyeop park，卡爾·舒德(karl schoder)研究學(xué)院的方鵬教授以及fsu的助理研究員袁力，期望建立一個(gè)原型，并將在fsu在三年內(nèi)建立了5兆瓦的測試設(shè)施。開發(fā)和測試將與一組工業(yè)合作伙伴協(xié)作完成，這些合作伙伴最終將直流斷路器過渡到商業(yè)用途。

隨著更多的可再生能源上網(wǎng)，直流電可能特別有用。東方的太陽落山后，西部的光伏發(fā)電可能仍在發(fā)電。風(fēng)力渦輪機(jī)可能正在該國中部發(fā)電，而云則覆蓋了該國其他地區(qū)。因此，將功率從一個(gè)位置傳輸?shù)搅硪晃恢每赡茏兊酶又匾?/p>

格拉伯說：“與可再生能源之間的距離很長。” “當(dāng)我們重新思考下一個(gè)網(wǎng)格將是什么樣時(shí)，dc可能會發(fā)揮更大的作用。”

對于那些了解電力歷史的人來說，這項(xiàng)工作開啟了故事的新篇章，該故事可以追溯到將近一個(gè)半世紀(jì)以來的兩位有史以來最著名的發(fā)明家。

直流電與交流電的相對優(yōu)勢為1880年代發(fā)明家托馬斯·愛迪生和尼克拉斯·特斯拉之間的“電流戰(zhàn)”奠定了基礎(chǔ)。支持直流電的愛迪生最終輸給了特斯拉的交流電。但是，如果愛迪生能夠使用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，那么情況可能會有所不同。

格拉伯說：“愛迪生是對的，但當(dāng)時(shí)他錯了。” “ dc恢復(fù)強(qiáng)勁，我們將成為使其實(shí)用的一部分。”