Представляем ULIS: силовой модуль, переопределяющий эффективность, плотность мощности и низкие производственные затраты

Эндрю Корселли

ULIS может быть обработан широко доступным оборудованием, снижая производственные затраты силового модуля с тысяч до сотен долларов. (Изображение: Брук Букан, NREL)

Глобальный спрос на энергию 급증, толкаемый энергозатратными центрами обработки данных, питания искусственного интеллекта, и увеличением производства. Как мир удовлетворит эти растущие энергетические потребности?

Один ответ — получить больше пользы от энергии, которую мы уже производим, и по более низкой стоимости. В погоне за этой целью исследователи NREL создали силовой модуль на основе карбида кремния — физическое корпус для силовой электроники, контролирующей поток электричества между системами — с никогда не виданной ранее эффективностью, плотностью мощности и низкой стоимостью производства.

Прорыв, называемый NREL's Ultra-Low Inductance Smart power module, получил прозвище ULIS. Питание от кремниевокарбидных полупроводников, ULIS способен достигать в пять раз большей плотности энергии, чем предшествующие дизайны, в более компактном корпусе, позволяя производителям строить и питать более эффективные, компактные и легкие технологии. 1200-вольтный, 400-амперный силовой модуль подходит для использования в центрах обработки данных, электрических сетях, микрореакторах и даже тяжелых машинах, таких как самолеты следующего поколения и военные машины.

Вот эксклюзивное интервью Tech Briefs, отредактированное для длины и ясности, с главным исследователем Фаисалом Ханом, главным исследователем силовой электроники NREL.

Tech Briefs: Какая была самая большая техническая проблема при разработке ULIS?

Хан: ULIS использует неортодоксальный процесс производства. Силовой модуль — это коммутирующее устройство; у него есть верхний ключ и нижний ключ, и мы используем коммерчески доступные кристаллы. Поэтому мы не следовали тому, как другие силовые модули изготавливаются, потому что другие силовые модули прямоугольные, у них специфическая маршрутизация тока, способ, которым ток течет внутри модуля. Мы не следовали этому, потому что наш первый умысел был снизить паразитную индуктивность, чтобы мы могли коммутировать быстрее. И нам нужна была техника отмены потока, что значит поток, индуцированный током. Нам нужно было отменить его, чтобы эффективная индуктивность внутри модуля была низкой — или даже если она не низкая, но когда вы подаете ток, она ведет себя так, будто она низкая.

Именно поэтому мы должны были спроектировать ULIS таким образом, который был неконвенциональным, неортодоксальным, но это было непросто. Оно потребовало очень, я бы сказал, деликатной обработки. Это была самая большая проблема для нас.

Tech Briefs: Можете ли вы объяснить простыми терминами, как работает ULIS?

Хан: ULIS имеет три главные инновации. Первая — ультра-низкая индуктивность, означающая, что у него есть определенное число устройств, соединенных параллельно и последовательно — так четыре устройства соединены параллельно наверху, четыре устройства соединены параллельно внизу и эти две группы соединены последовательно. Каждое устройство рассчитано на 100 ампер, так что группа из четырех параллельно рассчитана на 400 ампер и каждая группа рассчитана на 1,2 киловольта. Способ работы таков: если вы подаете гейт-сигнал на верхнюю группу, верхний ключ активируется; если вы подаете гейт-сигнал на нижнюю группу, нижний ключ активируется.

Мы соединили кристаллы наверху с кристаллами внизу так, что эффекты паразитных индуктивностей отменяют друг друга и общая эффективная паразитная индуктивность крайне низка. Для лучшего коммерчески доступного 400-амперного, 1,2-кВ модуля паразитная индуктивность составляет около шести наногенри, в то время как для ULIS она близка к 500-600 пикогенри — снижение в 10-11 раз.

Как это работает, очень сложно объяснить, но общая концепция — отмена потока внутри силового модуля. Это патент-pending техника, и мы пытаемся найти вендора, который был бы заинтересован в коммерциализации ее.

Вторая инновация — наш изоляционный слой. Каждый силовой модуль нуждается в этом, потому что кристаллы наверху должны быть изолированы от низа. Коммерчески доступные модули используют керамику, которая обеспечивает электрическую изоляцию и термическую проводимость. Это свойства, которые нам нужны. Главный недостаток керамики — она дорогая. Она также очень трудно обрабатывать — вам нужна очень специальная обработка, чтобы резать её. Наш умысел был спроектировать процесс производства, где быстрый прототипинг возможен. Поэтому вместо керамики мы используем Temprion, который является полиамидной пленкой, которую можно резать. Она обеспечивает необходимую электрическую изоляцию, и в то же время она термически проводима. Хотя она не так хороша, как керамика, слой настолько тонкий, что нет компромисса в термической проводимости. Так что быстрый прототипинг возможен.

Номер три, ULIS может быть беспроводно управляемым. Когда система имеет много силовых модулей, очень сложно управлять каждым из них, потому что будет так много проводов. Так что в сложной системе, где есть так много модулей, если вы можете управлять ими беспроводно и мониторить беспроводно, это большое преимущество.

Tech Briefs: Вы сказали, что ULIS патент-pending и вы ищете коммерциализировать его. Мой вопрос: куда вы идете отсюда? Каковы ваши следующие шаги?

Хан: Да. ULIS прошел через множество итераций. Тот, с которого мы начали, имел 700-пикогенри индуктивность, и теперь она менее 600 пикогенри. Сейчас мы пытаемся построить схему вокруг ULIS. Так что это может быть большой инвертер, большой зарядный устройство батареи или AC-DC преобразователь.

В прошлом году ULIS пошел на соревнование R&D 100, и мы стали одним из финалистов — мы стали одним из топ-158 проектов. Но, чтобы быть пригодным для получения награды R&D 100, нужно быть в топ-100. К сожалению, мы не смогли попасть в топ-100.

В этом году мы пытаемся пойти на это снова, потому что это полный пакет. Чтобы быть пригодным для R&D 100, одна из ключевых вещей — лицензированная технология. Так что если мы сможем лицензировать эту технологию, если мы сможем показать, что компания лицензировала этот силовой модуль ULIS, это сделало бы нас очень конкурентоспособными для этой награды. Так что мы собираемся построить систему вокруг ULIS и продемонстрировать, что что-то, построенное вокруг него, очень компактно по объему и весу по сравнению с коммерчески доступными решениями.

Транскрипт

00:00:01 Как сделать транспорт, промышленные машины, накопление энергии и авиацию более эффективными, компактными, безопасными и доступными? Мы строим лучший силовой модуль. Силовые модули — важные части современной высоковольтной электроники, преобразующей энергию от источников к назначениям, как батарея машины к её мотору. Но современные силовые модули ограничены их размером и паразитной индуктивностью: мерой энергии, теряемой когда модули преобразуют электричество. Теперь новый ULIS силовой модуль NREL может питать машины и другую высоковольтную электронику на доле размера, стоимости и паразитной индуктивности своих конкурентов. Но это не единственный способ, которым ULIS превосходит конкурентов. Он также проще, быстрее собирается и эффективнее. ULIS модулен, адаптирован к обслуживанию широкого спектра технологий и дизайнов, и способен

00:00:59 беспроводно мониторить здоровье машины в реальном времени для предсказания неисправностей до их возникновения. Благодаря своей непревзойденной плотности мощности, ULIS может разблокировать захватывающие новые технологии, как портативные сверхбыстрые зарядные устройства EV, миниатюрные термоядерные реакторы для поддержки микросетей и центров обработки данных, и даже передовые воздушные мобильности. Дизайн силового блока ULIS может помочь построить более безопасное, умное, эффективное и доступное будущее современной электроники. Больше мощности за меньше.