Представляем ULIS:силовой модуль, дающий новое определение эффективности, плотности мощности и низким производственным затратам

Эндрю Корселли

ULIS можно обрабатывать с использованием широко доступного оборудования, что снижает затраты на производство силового модуля с тысяч до сотен долларов. (Изображение:Брук Бьюкен, NREL)

Глобальные потребности в энергии растут, чему способствуют энергоемкие центры обработки данных, обеспечивающие работу искусственного интеллекта и рост производства. Как мир будет удовлетворять эти растущие потребности в энергии?

Один из ответов — получить больше пользы от энергии, которую мы уже производим, и с меньшими затратами. Преследуя эту цель, исследователи NREL создали силовой модуль на основе карбида кремния — физический корпус для силовой электроники, контролирующий поток электроэнергии между системами — с невиданной ранее эффективностью, удельной мощностью и низкой технологичностью.

Прорыв, получивший название «умный силовой модуль со сверхнизкой индуктивностью» NREL, получил прозвище ULIS. Основанный на полупроводниках из карбида кремния, ULIS способен обеспечить в пять раз большую плотность энергии, чем предыдущие разработки, в меньшем корпусе, что позволяет производителям создавать и использовать более эффективные, компактные и легкие технологии. Силовой модуль на 1200 В и 400 А подходит для использования в центрах обработки данных, электросетях, микрореакторах и даже в транспортных средствах большой грузоподъемности, таких как самолеты нового поколения и военная техника.

Представляем эксклюзивные технические обзоры интервью, отредактированное для обеспечения длины и ясности, с главным исследователем Фейсалом Ханом, главным исследователем силовой электроники NREL.

Технические обзоры :С какой самой большой технической проблемой вы столкнулись при разработке ULIS?

Хан :ULIS использует неортодоксальный процесс изготовления. Модуль питания представляет собой коммутационное устройство; у него есть верхний переключатель и нижний переключатель, и мы используем имеющиеся в продаже матрицы. Итак, мы не следили за тем, как изготавливаются другие силовые модули, потому что другие силовые модули имеют прямоугольную форму, у них есть определенная маршрутизация тока, то есть то, как ток течет внутри модуля. Мы не последовали этому, потому что нашей первой целью было уменьшить паразитную индуктивность, чтобы мы могли переключаться быстрее. И нам нужна была техника подавления потока, то есть потока, индуцируемого током. Нам нужно было его отменить, чтобы эффективная индуктивность внутри модуля была низкой — или даже если она не мала, но при подаче тока она действует так, как будто она мала.

Вот почему нам пришлось разработать ULIS нетрадиционным, неортодоксальным способом, но это было непросто. Требовалась очень, я бы сказал, деликатная обработка. Это было для нас самой большой проблемой.

Технические обзоры :Можете ли вы объяснить простыми словами, как работает ULIS?

Хан :В ULIS есть три основных нововведения. Первый из них имеет сверхнизкую индуктивность, что означает, что он имеет определенное количество устройств, которые соединены параллельно и последовательно:четыре устройства подключены параллельно вверху, четыре устройства подключены параллельно внизу, и эти две группы соединены последовательно. Каждое устройство рассчитано на ток 100 ампер, поэтому группа из четырех параллельно подключенных устройств рассчитана на 400 ампер, а каждая группа — на 1,2 киловольта. Это работает так:если вы подаете сигнал стробирования на верхнюю группу, активируется верхний переключатель; если вы подадите сигнал стробирования к нижней группе, активируется нижний переключатель.

Мы соединили кристаллы вверху с кристаллами внизу так, что эффекты паразитной индуктивности компенсируют друг друга, и общая эффективная паразитная индуктивность становится чрезвычайно низкой. Для лучшего коммерчески доступного модуля на 400 А и 1,2 кВ паразитная индуктивность составляет около шести наногенри, а для ULIS она близка к 500-600 пикогенри — снижение в 10-11 раз.

Как это работает, объяснить очень сложно, но общая концепция заключается в подавлении потока внутри силового модуля. Это запатентованная технология, и мы пытаемся найти поставщика, который был бы заинтересован в ее коммерциализации.

Второе новшество — наш изоляционный слой. Это необходимо каждому силовому модулю, поскольку кристаллы сверху должны быть изолированы снизу. В коммерчески доступных модулях используется керамика, которая обеспечивает электрическую изоляцию и является теплопроводной. Это свойства, которые нам нужны. Самый большой недостаток керамики в том, что она дорогая. С ней также очень сложно работать — для ее резки нужна особая механическая обработка. Нашей целью было разработать процесс изготовления, при котором возможно быстрое прототипирование. Итак, вместо керамики мы используем Temprion — полиамидную пленку, которую можно резать. Он обеспечивает необходимую электроизоляцию и в то же время является теплопроводным. Хотя он и не так хорош, как керамика, слой настолько тонкий, что в теплопроводности нет никаких проблем. Поэтому быстрое прототипирование возможно.

В-третьих, ULIS можно управлять по беспроводной сети. Когда в системе много модулей питания, контролировать каждый из них очень сложно, поскольку будет очень много проводов. Итак, в сложной системе, где так много модулей, если вы можете управлять ими и контролировать их по беспроводной сети, это большое преимущество.

Технические обзоры :Вы сказали, что на ULIS подана заявка на патент, и вы хотите коммерциализировать ее. Мой вопрос:Куда вы пойдете отсюда? Каковы ваши дальнейшие действия?

Хан :Да. ULIS прошел несколько итераций. Тот, с которого мы начали, имел индуктивность 700 пикогенри, а сейчас она составляет менее 600 пикогенри. Сейчас мы пытаемся построить схему вокруг УЛИС. Таким образом, это может быть большой инвертор, большое зарядное устройство или преобразователь переменного тока в постоянный.

В прошлом году ЮЛИС участвовал в конкурсе R&D 100, и мы вошли в число финалистов — вошли в число 158 лучших проектов. Но чтобы иметь право на получение премии R&D 100 Award, нужно войти в сотню лучших. К сожалению, нам не удалось попасть в сотню лучших.

В этом году мы пытаемся сделать это снова, потому что это полный пакет. Чтобы иметь право на участие в R&D 100, одним из ключевых условий является наличие лицензированной технологии. Итак, если мы сможем лицензировать эту технологию, если мы сможем показать, что компания лицензировала этот силовой модуль ULIS, это сделает нас очень конкурентоспособными на эту награду. Итак, мы собираемся построить систему на основе ULIS и продемонстрировать, что нечто, построенное на ее основе, очень компактно по объему и весу по сравнению с коммерчески доступными решениями.

Расшифровка

00:00:01 Как сделать транспортные средства, промышленное оборудование, накопители энергии и самолеты более эффективными, компактными, безопасными и доступными? Мы создаем лучший модуль питания.    Модули питания являются важными частями современной высоковольтной электроники, которые преобразуют энергию от источников к месту назначения, как аккумулятор автомобиля в его двигатель. Но современные силовые модули ограничены своим размером и паразитной индуктивностью:мерой энергии, тратимой впустую при преобразовании модулями электричества.  Теперь новый силовой модуль ULIS от NREL может питать транспортные средства и другую высоковольтную электронику при гораздо меньшем размере, стоимости и паразитной индуктивности, чем у его конкурентов.   Но это не единственный способ, которым ULIS превосходит конкурентов. Кроме того, его проще, быстрее собирать и эффективнее. ULIS является модульной системой, адаптируемой для обслуживания широкого спектра технологий и проектов, а также способной  

00:00:59 беспроводной мониторинг состояния машины в режиме реального времени, чтобы прогнозировать неисправности до того, как они произойдут.     Благодаря своей непревзойденной плотности мощности ULIS  может открыть новые захватывающие технологии, такие как портативные сверхбыстрые зарядные устройства для электромобилей, миниатюрные термоядерные реакторы для поддержки микросетей и центров обработки данных и даже продвинутую воздушную мобильность. Конструкция блока питания ULIS может помочь построить более безопасное, умное, эффективное и доступное будущее современной электроники.   Это больше мощности за меньшие деньги.