据估计，不可预见的电网中断每年将使美国经济损失1500亿美元。美国能源部表示，提高美国电网基础设施的效率和抵御极端天气事件的能力，对确保清洁能源和交通选择能够到达全国各地的社区至关重要。电网现代化也将支持拜登总统加快可再生能源的部署，促进国家能源独立，并在2035年实现100%清洁电力的目标。

前不久，美国能源部（DOE）宣布再投4800万美元资金，用于开发电网技术，以改善美国国内电网的控制和保护。其中特别提到宽禁带（WBG）和超宽禁带（UWBG）半导体研发与应用。

上述称为ULTRAFAST的项目旨在通过功率半导体技术的更快驱动来解决持久的变革弹性进展，目标是提高硅、宽禁带和超宽禁带半导体器件的性能极限，从而在更高的电流和电压水平下实现更快的切换和/或触发，从而改善电网的控制和保护。ULTRAFAST将资助旨在使公用事业更有效控制电网，以避免干扰、快速隔离和绕过干扰。

ULTRAFAST由美国能源部能源先进研究计划署（ARPA-E）管理，包括几个方面：

一是器件和/或模块技术：通过纳秒级反应时间和相应的转换速率在尽可能低的集成水平下实现非常快速的旁路、分流或中断能力，以实现高电流和电压水平的保护功能。

二是提升开关速度：开发和实现高效、高功率、高速电力电子转换器的高开关频率器件和/或模块。

三是互补技术：利用电压和电流的无线传感、集成无线致动器和设备/模块级保护的高密度封装、动力电池级电容器和电感器及支持上述实现技术的热管理策略。

ARPA-E非常重视超快触发半导体技术的进展，试图利用此类器件帮助美国实现发展未来高性能弹性电力系统的国家目标。

变革性清洁能源技术研发

变革性清洁能源技术研发一直是ARPA-E的目标，2022年4月，新一期OPEN2021开放招标计划资助1.75亿美元支持国家实验室、高校和企业协同开展具有潜在颠覆性影响的变革性清洁能源技术研发，确保美国在未来绿色能源技术的全球领导地位，同时助力美国2050年实现净零排放目标。是次资助聚焦十三个领域，其中与半导体相关的研究如下：

建筑能效：研究新型基于氮化镓（GaN）半导体的直接发射绿光的发光二极管（LED），以加速固态照明（SSL）光源的使用和普及。

分布式能源：设计和建造能够利用可再生能源直接将烟道气中的CO2电催化还原为高价值化学品（如乙醇、丙醇等）的高性能反应装置，以实现绿色高效减排。

电力电子器件和设备效率：

•突破性无线充电系统，为电动汽车静态和动态充电，大幅减少对昂贵和笨重车载电池需求，提高续航里程，加速电动汽车的普及；

•开发性能大大超过目前电力电子器件的GaN基二极管和晶体管；

•通过增材制造技术制造具有网络状结构的非晶金属氧化物软磁复合材料（SMC），降低成本，减少浪费；

•为电力电子模块开发3D打印陶瓷封装，以改善其热管理、功率密度、性能和寿命；

•开发数据中心节能两相冷却系统，减少冷却能耗并减少用水；

•开发高性能冷却板，将换热速率提高3倍，提高数据中心未来服务器的能源效率；

•开发高效、资源节约的热能设备，同时提高服务器冷却效率，直接用于建筑供暖与制冷的高质量热能；

•开发能量高达数十兆电子伏特的氮化硼快中子探测器（FND），用于反应堆高温高辐照的极端环境中直接监测反应堆和燃料状态。

电网技术研发：

•开发高比例可再生能源并网电网高效稳定运营技术，包括：用100千伏GaN光导半导体开关取代传统硅技术制造的半导体开关；结合电力电子的功能与高压电缆功率密度优势的一体化结构，以取代电网中笨重、不灵活的变电站；开发创新的逆变器电力系统保护方案，提高可再生能源并网比例。

•围绕电网开发相关的算法、模型、软件和控制技术，优化电网运行效能，包括利用超导架空和地下输电线路输送电力；开发模块化弹性微电网控制集成平台，实现微电网协调和控制。

•针对电源系统和新能源研发能源技术，包括基于GaN的小型脉冲电源系统架构，将电容器尺寸减小10倍，提高脉冲电源功率密度和功率转换器寿命。

交通工具研究：

开发新型磁体，以提高磁体的运行能量密度，提高电机效率；开发高功率密度的电机，特别是功率高达10兆瓦及以上的电动飞机推进系统；开发自动电池驱动轨道车辆运输系统，使终端变得更小、更清洁；为电动飞机开发超轻、高效的DC-DC转换器，减少温室气体排放量和噪音污染。

ARPA-E发展15年

ARPA-E成立于2007年，旨在激励和开发满足清洁、低廉与可靠能源的强烈需求，实现颠覆性创新、具有变革意义和潜在巨大应用价值的高风险能源研究项目，推动革命性能源技术的开发。

2009以来，ARPA-E已提供超过15亿美元资金，资助36个重点项目和3个开放式支助项目，共计580多个子项目，263个子项目已完成。许多团队成功利用ARPA-E投资，56个子项目形成了新的公司，68个子项目继续与其他政府机构合作开展研究，74个研究团队从市场募集了超过18亿美元的资金，用于将技术推向市场。

2016年，ARPA-E出版第一次成果汇编，总结了在短短7年时间里通过资助一系列先进能源技术的研究，使美国解决最紧迫的能源挑战。其投资继续得到回报，一些技术成功商业化，加速了能源科技的发展。2017年2月，ARPA-E出版了第二次成果汇编，介绍ARPA-E成功案例，包括将在未来产生重要影响的原创成果和开始渗透市场的各种产品。

ARPA-E除了设立特定领域主题研究计划外，还每三年开展一次开放式项目招标计划。OPEN招标计划于2009年推出，旨在支持非共识探索研究和机会型探索研究，避免遗漏在主题研究领域之外的创新思想。2009年第一轮开放式招标（OPEN 2009）资助1.67亿美元，2012年第二轮（OPEN 2012）资助1.3亿美元，2015年第三轮（OPEN 2015）资助1.25亿美元，2018年第四轮（OPEN 2018）资助1.99亿美元。

ARPA-E项目相关半导体技术

高效电能传输技术：提升电能转换的基本元器件，包括电路、晶体管、电感器、变压器和电容器，为更高效的能量转化铺平道路。

储能设备先进管理与保护：开发先进的传感、控制和电源管理技术，重新定义电池管理。

电动汽车电池：开发各种将使电动汽车和插电式混合动力汽车达到或超越汽油动力汽车价格和性能的可充电电池技术，使人们愿意驾驶电动汽车。

集成微型优化太阳能电池阵列：开发技术和理念，降低太阳能光伏发电系统的成本，提高性能。

道路车辆自动连接的新一代能源技术：利用自动化协同连接优化车辆动态控制和动力系统，降低车辆能耗。

高效太阳能电力技术：将太阳光转化为电能，将先进电气元件集成到光伏系统中，使太阳能转化为电能更加高效。

宽禁带、低成本晶体管研发：开发新一代功率开关器件，提高能源效率，包括新的照明技术、计算机电源和工业电机，特别是宽禁带半导体材料和器件结构，减少功率损失，大大降低成本。

 超宽禁带半导体研发与应用

在宽禁带半导体材料之后，更新的超宽禁带半导体材料也已出现。超宽禁带半导体代表半导体材料、物理、器件研究和应用领域一个令人兴奋并具有挑战性的新领域，其禁带显著宽于GaN的3.4 eV，例如AlN宽度可达6.0 eV左右。

研究发现，器件性能的许多品质因数与禁带呈非线性关系，人们早就发现这些半导体在高功率和RF电子学、深紫外光电子学、量子信息和极端环境有很大应用潜力。最近几年，超宽禁带半导体材料，如氧化镓、AlGaN、金刚石和Ga2O3和立方氮化硼等，才逐渐成熟应用，展示了优于宽禁带材料的一些诱人的优势和性能潜力。

自半导体诞生以来，科学好奇心一直在驱使半导体材料技术的进步。尽管取得了很大进展，但对于超宽禁带半导体还没有实现像GaN的p型掺杂的有效掺杂浓度，需要行业进一步研究优化，解决超宽禁带半导体室温下实现自由载流子浓度的难题。

例如，要实现芯片级金刚石的工业化，需要解决提高金刚石纯度、制作大尺寸金刚石薄片等一系列系统性技术挑战；氧化镓在耐压、电流、功率、损耗等维度都有其优势，但大功率、高效率电子器件还处于实验室研发阶段，需要解决大规模实际应用的问题。

美国目前正从前沿军事技术布局角度大力发展氧化镓材料。随着技术的进步，超宽禁带材料就与宽禁带半导体材料一起开拓更为广阔的应用市场。中国已将氧化镓列入“十四五重点研发计划”，许多科研院所和企业正在为发展相关技术而努力。