直流電(dc)為手電筒，智能手機和電動汽車供電，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：當出現問題(稱為故障)(例如樹倒在電源線上)時，交流電很容易關閉。

但是，直流電具有比其交替表親更高的固有優勢，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。隨著農村地區的風電場產生人口中心所需的電力，這可能變得越來越重要。未來的電動飛機和輪船很可能將由高功率密度直流系統供電。

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當一個周期內的功率水平達到零(正弦波的零交叉點)時，交流電可以關閉，這是斷路器保護從變電站到家庭安裝的現代電力系統的基礎。但是，如果沒有這些交流周期，直流電將沒有時間關閉電源。

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

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

研究小組正在開發的混合斷路器將在必要時使用非常大的晶體管堆疊來關閉dc。半導體傳導電流的效率不如常規機械開關，因此在正常條件下，電流將流過機械開關。但是，當必須關閉電源時，電流將短暫流過電力電子設備，直到可以打開機械斷路器。

佐治亞理工學院電氣與計算機工程學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。” “一條路徑將流經半導體，在需要時可以中斷電流。第二條路徑將流經機械開關，機械開關將提供更少的電阻性路徑，對正常操作更有效。”

在普通的消費電子應用中，晶體管太小而看不到并只能承受幾伏特的電壓。用于直流開關的晶體管要大得多(一平方厘米)，數十或數百個晶體管將串聯或并聯組合，以提供足夠的容量來開關數千伏特。在電流流到固態晶體管通道后，壓電致動器將在電流過高之前迅速將機械開關中的觸點分開。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：佐治亞理工學院電子和納米技術

格拉伯說：“我們需要非常快。” “我們必須在250微秒內分離觸點，并在微秒內(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行器或液壓執行器。依靠壓電效應的設備可以為我們做到這一點。”

佐治亞理工學院和fsu的研究人員已經為擬議的直流斷路器的組件開發了知識產權，并將共同努力以結合這些技術。該項目被稱為帶電涌保護的高效直流中斷器(edison)。

steurer說：“我們將把固態和機械等截然不同的技術的優勢結合到一個整體上比單個組件更好地運行的系統中。” “系統的各個部分必須在半毫秒內無縫協作才能實現我們的目標。”

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

隨著更多的可再生能源上網，直流電可能特別有用。東方的太陽落山后，西部的光伏發電可能仍在發電。風力渦輪機可能正在該國中部發電，而云則覆蓋了該國其他地區。因此，將功率從一個位置傳輸到另一位置可能變得更加重要。

格拉伯說：“與可再生能源之間的距離很長。” “當我們重新思考下一個網格將是什么樣時，dc可能會發揮更大的作用。”

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

直流電與交流電的相對優勢為1880年代發明家托馬斯·愛迪生和尼克拉斯·特斯拉之間的“電流戰”奠定了基礎。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代電力電子技術，那么情況可能會有所不同。

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