Des appareils ultrarapides qui battent des records offrent une étape vers la protection du réseau électrique contre les EMP

Des appareils ultra-rapides qui battent des records pour protéger le réseau contre les EMP

Luke Yates, à gauche, un ingénieur électricien des Sandia National Laboratories, passe devant Jack Flicker, un expert en résilience du réseau, une plaquette de nitrure de gallium avec un réseau de diodes qui peuvent dériver un record de 6 400 volts d’électricité en quelques milliardièmes de seconde. Crédits : Rebecca Gustaf

Des scientifiques des Sandia National Laboratories ont annoncé un minuscule appareil électronique capable de dériver l’excès d’électricité en quelques milliardièmes de seconde tout en fonctionnant à un record de 6 400 volts, une étape importante vers la protection du réseau électrique national contre une impulsion électromagnétique.

L’équipe a publié les résultats de fabrication et de test de leur appareil le 10 mars dans la revue scientifique Transactions IEEE sur les appareils électroniques. L’objectif ultime de l’équipe est de fournir une protection contre les surtensions, qui pourraient entraîner des interruptions de courant de plusieurs mois, avec un appareil qui fonctionne jusqu’à 20 000 volts. À titre de comparaison, une sécheuse électrique domestique utilise 240 volts d’électricité.

Une impulsion électromagnétique, ou EMP, peut être causée par des phénomènes naturels, tels que des éruptions solaires, ou une activité humaine, telle qu’une détonation nucléaire dans l’atmosphère. Un EMP provoque d’énormes tensions en quelques milliardièmes de seconde, affectant et endommageant potentiellement les appareils électroniques sur de vastes étendues du pays.

Les EMP sont peu probables, a déclaré Bob Kaplar, directeur d’un groupe de recherche sur les dispositifs à semi-conducteurs chez Sandia, mais si l’un devait se produire et endommager les énormes transformateurs qui forment l’épine dorsale de notre réseau électrique, cela pourrait prendre des mois pour les remplacer et rétablir le courant. à la partie touchée de la nation.

“La raison pour laquelle ces appareils sont pertinents pour protéger le réseau contre un EMP n’est pas seulement qu’ils peuvent atteindre une haute tension – d’autres appareils peuvent atteindre une haute tension – mais qu’ils peuvent répondre en quelques milliardièmes de seconde”, a déclaré Kaplar. . “Pendant que l’appareil protège le réseau d’un EMP, il est à une tension très élevée et des milliers d’ampères le traversent, ce qui représente une énorme quantité d’énergie. Un matériau ne peut gérer autant d’énergie que pendant un certain temps, mais nous pensons que le matériau de notre diode présente certains avantages par rapport aux autres matériaux.”

Une vanne de régulation pour le réseau

Le nouveau dispositif Sandia est une diode qui peut shunter un record de 6 400 volts d’électricité en quelques milliardièmes de seconde, une avancée significative vers la protection du réseau électrique national contre un EMP. L’équipe, comprenant l’ingénieur électricien de Sandia Luke Yates, le premier auteur de l’article, travaille à la fabrication d’une diode capable de fonctionner à environ 20 000 volts, car la plupart des composants électroniques de distribution du réseau fonctionnent à environ 13 000 volts.

Les diodes sont des composants électroniques présents dans presque tous les appareils électroniques et servent de vannes de régulation unidirectionnelles, a déclaré Mary Crawford, scientifique principale de Sandia, responsable de la conception et de la fabrication des diodes pour le projet. Les diodes permettent à l’électricité de circuler dans un sens à travers l’appareil, mais pas dans l’autre. Ils peuvent être utilisés pour convertir le courant alternatif en courant continu et, dans ce projet, détourner les hautes tensions dommageables des transformateurs de réseau sensibles.

Kaplar a convenu que la diode fonctionne un peu comme une vanne de régulation dans la plomberie. Il a dit: “Dans une vanne de régulation, même si vous ouvrez cette vanne à fond, vous ne pouvez pas faire passer une quantité infinie d’eau à travers la vanne. De même, il y a une limite à la quantité de courant que vous pouvez faire passer à travers notre diode. Si la vanne sur le tuyau est fermée, si la pression atteint un certain point, elle éclatera. De manière analogue, la diode ne peut pas bloquer une tension infinie. Cependant, notre appareil EMP utilise le point auquel la diode ne peut plus bloquer la haute tension , maintient la tension à cette « pression », en dérivant le courant excédentaire à travers lui-même, vers le sol et loin de l’équipement du réseau de manière contrôlée et non destructive. »

Les surtensions causées par les EMP sont cent fois plus rapides que celles causées par la foudre, de sorte que les experts ne savent pas si les dispositifs conçus pour protéger le réseau contre les coups de foudre seraient efficaces contre un EMP, a déclaré Jack Flicker, un spécialiste de la résilience du réseau électrique de Sandia. spécialiste de l’équipe.

“Le réseau électrique a un certain nombre de protections différentes”, a ajouté Flicker. “Ils varient dans le temps de très rapide à très lent, et ils sont superposés sur le réseau électrique pour s’assurer qu’un événement ne peut pas provoquer une panne catastrophique du réseau électrique. La protection la plus rapide que nous avons généralement sur le réseau réagit contre les impulsions à un millionième de seconde, pour se protéger de la foudre. Pour les EMP, on parle de dix milliardièmes de seconde, cent fois plus vite.

Le nouvel appareil Sandia peut réagir aussi rapidement.

Cultiver des couches parfaites

Une partie de ce qui rend la diode spéciale est qu’elle est fabriquée à partir de nitrure de gallium, le même matériau de base utilisé dans les LED, a déclaré Kaplar. Le nitrure de gallium est un semi-conducteur, comme le silicium. Mais en raison de ses propriétés chimiques, il peut retenir une tension beaucoup plus élevée avant de tomber en panne que le silicium, a déclaré Crawford. Le matériau lui-même répond également très rapidement et est donc un bon candidat pour obtenir la réponse rapide nécessaire pour protéger la grille d’un EMP.

Crawford et les scientifiques des matériaux Brendan Gunning et Andrew Allerman ont fabriqué les dispositifs en “faisant pousser” des couches semi-conductrices de nitrure de gallium à l’aide d’un processus appelé dépôt chimique en phase vapeur, a-t-elle déclaré. Tout d’abord, ils chauffent une plaquette de nitrure de gallium disponible dans le commerce à environ 1 800 degrés Fahrenheit, puis ajoutent des vapeurs contenant des atomes de gallium et d’azote. Ces produits chimiques forment des couches de nitrure de gallium cristallin à la surface de la tranche.

En ajustant les ingrédients et le processus de “cuisson”, l’équipe a pu produire des couches aux propriétés électriques différentes. En construisant ces couches dans un ordre spécifique, combiné avec des étapes de traitement, telles que la gravure et l’ajout de contacts électriques, l’équipe a produit des dispositifs avec le comportement nécessaire.

“Un défi majeur de la réalisation de ces diodes à très haute tension est la nécessité d’avoir des couches de nitrure de gallium très épaisses”, a déclaré Crawford. “Les régions de dérive de ces appareils ont des épaisseurs d’environ 50 microns, soit 1/6 d’une feuille de papier de cahier. Cela peut sembler peu, mais le processus de croissance que nous utilisons peut avoir des taux de croissance de seulement un ou deux microns par Un deuxième défi majeur consiste à maintenir de très faibles densités de défauts cristallins, en particulier des impuretés ou des atomes manquants dans le matériau semi-conducteur, tout au long du temps de croissance afin de générer des dispositifs qui fonctionnent à ces tensions très élevées.”

Pour que l’équipe atteigne son objectif ultime d’un appareil fonctionnant à 20 000 volts, elle devra faire croître la couche épaisse encore plus épaisse avec encore moins de défauts, a déclaré Crawford. Il y a plusieurs autres défis techniques à la construction d’un appareil qui peut fonctionner à des tensions et des courants aussi élevés, a-t-elle ajouté, y compris des conceptions pour gérer les champs électriques internes très élevés dans les appareils.

Tester des diodes ultrarapides

Une fois que l’équipe de Crawford a fabriqué les appareils, Flicker et son équipe ont testé la façon dont les appareils répondaient aux pics de tension rapides, similaires à ce qui se produirait lors d’un EMP. Son défi a été de modifier un outil pour mesurer le temps de réponse très rapide des appareils.

“Développer des outils capables de mesurer avec précision les réponses très rapides est très difficile”, a déclaré Flicker. “Si nous parlons d’un ou deux milliardièmes de seconde, ils doivent être capables de mesurer encore plus vite que cela, ce qui est un défi.”

Flicker et son équipe ont utilisé un équipement très spécialisé pour appliquer une impulsion haute tension et mesurer l’impulsion électrique qui est réfléchie par la diode pour indiquer quand l’appareil s’allume, de manière très précise et en moins d’un milliardième de seconde.

Utile pour les transformateurs intelligents, les convertisseurs de panneaux solaires et plus encore

Les dispositifs à diode comme la diode au nitrure de gallium Sandia peuvent être utilisés à d’autres fins, au-delà de la protection du réseau contre les EMP, a déclaré Kaplar. Il s’agit notamment de transformateurs intelligents pour le réseau, d’appareils électroniques pour convertir l’électricité des panneaux solaires installés sur le toit en énergie pouvant être utilisée par les appareils électroménagers, et même d’une infrastructure de recharge de voitures électriques.

Généralement, les convertisseurs de panneaux solaires et les infrastructures de recharge de voitures électriques peuvent gérer 1 200 ou 1 700 volts, a-t-il ajouté. Mais fonctionner à une tension plus élevée permet des rendements plus élevés et des pertes d’électricité plus faibles. Une autre partie du projet consiste à développer des diodes pour ces types d’appareils qui fonctionnent à une tension élevée, mais pas record, mais qui sont plus faciles à fabriquer, a déclaré Kaplar. Le Naval Research Laboratory dirige cette partie du projet.

Certains transformateurs intelligents et appareils électroniques peuvent désormais fonctionner jusqu’à 3 300 volts, a déclaré Flicker, mais l’efficacité serait encore plus grande s’ils pouvaient fonctionner à 10 000 ou 15 000 volts avec un seul dispositif semi-conducteur.

“Nous avons cet objectif principal de protection du réseau électrique, mais ces appareils ont d’autres utilisations au-delà de cela”, a déclaré Flicker. “C’est intéressant d’avoir notre domaine d’application, mais sachez que ces appareils peuvent être utilisés dans l’électronique de puissance, les convertisseurs de puissance, tout ce qui est à très haute tension.”


L’appareil pourrait réduire considérablement le gaspillage d’énergie dans les véhicules électriques, les centres de données et le réseau électrique


Plus d’information:
Luke Yates et al, Démonstration de la tension de claquage> 6,0 kV dans les diodes GaN pn verticales de grande surface avec des extensions de terminaison de jonction gravées par étapes, Transactions IEEE sur les appareils électroniques (2022). DOI : 10.1109/TED.2022.3154665

Fourni par Sandia National Laboratories

Citation: Des appareils ultrarapides qui battent des records fournissent une étape vers la protection du réseau électrique contre les EMP (15 mars 2022) récupéré le 15 mars 2022 sur https://techxplore.com/news/2022-03-record-breaking-ultrafast-devices- power-grid.html

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