美國的電力網絡正面臨著日益上升的需求和現代能源來源帶來的壓力。直流電（DC）在可再生能源和數據中心的應用中效率更高，但過時的斷路器限制了其使用。傳統的機械斷路器無法快速應對直流電的一方向流動，這導致了潛在的安全風險。位於奧克里奇國家實驗室（ORNL）的研究人員正在努力改變這種狀況。他們研發的新型半導體中壓斷路器旨在快速、安全且經濟地保護直流系統。這項發展有望降低電力成本，並在不需要昂貴基礎設施改建的情況下增加電網容量。
在 ORNL 項目負責人 Prasad Kandula 看來，「缺乏中壓直流斷路器一直是靈活供電的一個障礙。」他表示：「開發這項技術有助於確保電網安全可靠地運行，同時提供更多能源以支持我們日益增長的人口和經濟。」與交流電（AC）不同，直流電不會改變方向，因此在電流中沒有“零點”來幫助機械斷路器停止電流的流動。這種延遲在故障期間會導致熱量累積，增加火災風險。而半導體基礎的斷路器能夠以高達一百倍的速度作出反應，從而解決這一問題。
Kandula 團隊的設計基於可控硅（thyristors），這是一種便宜且可靠的舊型半導體。儘管可控硅無法直接關閉，但研究人員構建了一個外部電路來強迫電流降低。最終的結果是一個原型機，能在不到 50 微秒的時間內切斷 1,400 伏特的電流，這比以往基於可控硅的系統快了四到六倍。為了將這一斷路器擴展到實際應用，團隊將多個單元串聯連接，這個方法帶來了一些技術挑戰。系統必須在所有斷路器之間均勻分配電壓，同時在故障時仍能瞬間反應。工程師們成功解決了這些挑戰，並成功測試了該斷路器的電壓達到 1,800 伏特。目前的工作已經開始朝著 10,000 伏特的目標邁進，這是高需求直流電網的一個基準。
迄今為止，沒有商業斷路器能安全處理超過 2,000 伏特的直流電。大多數斷路器甚至連這一數字的一半都無法達到，因此 ORNL 的突破被認為是一個重要的進展。中壓直流斷路器對於未來的能源系統至關重要，特別是在人工智慧數據中心和先進製造等行業。這些行業通常依賴基於直流電的電力電子設備，當被迫轉換為交流電時，效率會下降。此外，直流電的線路損失較少，傳輸成本較低，並支持多方向的能源流動，這些都對於構建更加靈活的電網至關重要。可控硅等半導體消除了困擾機械直流斷路器的電弧風險。Kandula 提到：「一旦轉向直流電，‘零電流’的瞬間就消失了——而沒有它，機械開關無法足夠快速地停止故障，從而導致熱量累積並引發火災。」該項目是 ORNL 更大計劃的一部分，旨在為未來美國電網的需求開發模組化的中壓硬件，包括交通、製造和大規模計算。這項研究由能源部電力辦公室資助，並得到工程師 Marcio Kimpara 和 Elvey Andrade 的支持。UT-Battelle 代表能源部科學辦公室管理 ORNL。
