ULIS vorgestellt: Leistungsmodul definiert Effizienz, Leistungsdichte und niedrige Fertigungskosten neu

Andrew Corselli

ULIS kann mit weit verbreiteter Ausrüstung bearbeitet werden, was die Fertigungskosten für das Leistungsmodul von Tausenden auf Hunderte von Dollar reduziert. (Bild: Brooke Buchan, NREL)

Der globale Energiebedarf steigt stark an, getrieben von energieintensiven Rechenzentren, die künstliche Intelligenz antreiben, und zunehmender Fertigung. Wie wird die Welt diesen steigenden Energiebedarf decken?

Eine Antwort ist, mehr Nutzen aus der bereits produzierten Energie zu ziehen und das zu geringeren Kosten. Zur Verfolgung dieses Ziels haben NREL-Forscher ein auf Siliziumkarbid basierendes Leistungsmodul – ein physisches Gehäuse für die Leistungselektronik, die den Stromfluss zwischen Systemen steuert – mit noch nie dagewesener Effizienz, Leistungsdichte und kostengünstiger Fertigbarkeit entwickelt.

Der Durchbruch, NRELs Ultra-Low Inductance Smart Power Module genannt, trägt den Spitznamen ULIS. Angetrieben von Siliziumkarbid-Halbleitern erreicht ULIS eine fünfmal höhere Energiedichte als Vorgängerkonstruktionen in einem kleineren Gehäuse, was es Herstellern ermöglicht, effizientere, kompaktere und leichtere Technologien zu bauen und zu betreiben. Das 1200-Volt, 400-Ampere-Leistungsmodul eignet sich für Rechenzentren, Stromnetze, Mikroreaktoren und sogar schwere Fahrzeuge wie nächste Generation Flugzeuge und Militärfahrzeuge.

Hier ist ein exklusives Tech Briefs-Interview, redigiert für Länge und Klarheit, mit Principal Investigator Faisal Khan, NRELs Chief Power Electronics Researcher.

Tech Briefs: Was war die größte technische Herausforderung bei der Entwicklung von ULIS?

Khan: ULIS nutzt einen nicht-orthodoxen Fertigungsprozess. Ein Leistungsmodul ist ein Schaltgerät; es hat einen oberen und einen unteren Schalter, und wir verwenden kommerziell verfügbare Dies. Also folgten wir nicht der Art, wie andere Leistungsmodule gefertigt werden, weil andere Leistungsmodule rechteckig sind, sie haben spezifisches Stromrouting, die Art, wie der Strom im Modulinneren fließt. Wir folgten dem nicht, weil unsere erste Absicht war, die parasitäre Induktivität zu reduzieren, damit wir schneller schalten können. Und wir brauchten eine Flusskompensationstechnik, was bedeutet, dass der durch den Strom induzierte Fluss kompensiert wird. Wir mussten ihn kompensieren, damit die effektive Induktivität im Modul niedrig war – oder selbst wenn sie nicht niedrig ist, verhält sie sich so, als wäre sie niedrig, wenn man Strom anlegt.

Deshalb mussten wir ULIS so designen, was unkonventionell, nicht-orthodox war, aber es war nicht einfach. Es brauchte sehr, ich würde sagen, delikate Bearbeitung. Das war die größte Herausforderung für uns.

Tech Briefs: Können Sie bitte in einfachen Begriffen erklären, wie ULIS funktioniert?

Khan: ULIS hat drei große Innovationen. Die erste ist ultraniedrige Induktivität, was bedeutet, dass es eine bestimmte Anzahl von Geräten gibt, die parallel und in Reihe geschaltet sind – so sind vier Geräte parallel oben geschaltet, vier Geräte parallel unten und diese beiden Gruppen sind in Reihe geschaltet. Jedes Gerät ist mit 100 Ampere bewertet, so dass die Gruppe von vier parallel 400 Ampere bewertet ist und jede Gruppe mit 1,2 Kilovolt. Die Funktionsweise ist: Wenn man ein Gate-Signal an die obere Gruppe anlegt, aktiviert sich der obere Schalter; legt man ein Gate-Signal an die untere Gruppe an, aktiviert sich der untere Schalter.

Wir verbanden die Dies oben mit den Dies unten so, dass die Effekte der parasitären Induktivitäten sich gegenseitig aufheben und die gesamte effektive parasitäre Induktivität extrem niedrig ist. Für das beste kommerziell verfügbare 400-Ampere, 1,2-kV-Modul beträgt die parasitäre Induktivität etwa sechs Nanohenry, während sie für ULIS nahe 500-600 Pikohenry liegt – eine 10- bis 11-fache Reduktion.

Wie es funktioniert, ist sehr schwer zu erklären, aber das Gesamtkonzept ist Flusskompensation innerhalb des Leistungsmoduls. Dies ist eine patentanmeldende Technik, und wir versuchen, einen Anbieter zu finden, der an der Kommerzialisierung interessiert wäre.

Die zweite Innovation ist unsere Isolationsschicht. Jedes Leistungsmodul braucht die, weil die Dies oben von den unten isoliert sein müssen. Kommerziell verfügbare Module nutzen Keramik, die elektrische Isolierung und thermische Leitfähigkeit bietet. Das sind Eigenschaften, die wir brauchen. Der größte Nachteil von Keramik ist, dass sie teuer ist. Sie ist auch sehr schwer zu bearbeiten – man braucht sehr spezielle Bearbeitung, um sie zu schneiden. Unsere Absicht war, einen Fertigungsprozess zu designen, bei dem Rapid Prototyping möglich ist. Also nutzen wir statt Keramik Temprion, einen Polyamidfilm, den man schneiden kann. Er bietet die notwendige elektrische Isolierung und ist gleichzeitig thermisch leitfähig. Obwohl er nicht so gut wie Keramik ist, ist die Schicht so dünn, dass es keinen Kompromiss bei der thermischen Leitfähigkeit gibt. So ist Rapid Prototyping möglich.

Nummer drei: ULIS kann drahtlos gesteuert werden. Wenn ein System viele Leistungsmodule hat, ist es sehr schwierig, jedes davon zu steuern, weil es so viele Drähte geben wird. Also in einem komplexen System, wo es so viele Module gibt, wenn man sie drahtlos steuern und überwachen kann, ist das ein großer Vorteil.

Tech Briefs: Sie sagten, ULIS ist patentanmeldend und Sie suchen nach Kommerzialisierung. Meine Frage: Wie geht es weiter? Was sind Ihre nächsten Schritte?

Khan: Ja. ULIS hat mehrere Iterationen durchlaufen. Die, mit der wir begannen, hatte 700 Pikohenry Induktivität, und jetzt ist sie unter 600 Pikohenry. Jetzt versuchen wir, eine Schaltung um ULIS herum aufzubauen. Das könnte ein großer Inverter, ein großes Batterieladegerät oder ein AC-DC-Wandler sein.

Letztes Jahr ging ULIS zum R&D 100 Wettbewerb, und wir wurden einer der Finalisten – wir wurden eines der Top-158-Projekte. Aber um für den R&D 100 Award qualifiziert zu sein, muss man in den Top 100 sein. Leider konnten wir nicht in die Top 100 kommen.

Dieses Jahr versuchen wir es wieder, weil es ein vollständiges Paket ist. Um für R&D 100 qualifiziert zu sein, ist eines der Schlüsseldinge eine lizenzierte Technologie. Wenn wir also diese Technologie lizenzieren können, wenn wir zeigen können, dass ein Unternehmen dieses ULIS-Leistungsmodul lizenziert hat, würde uns das sehr wettbewerbsfähig für diesen Award machen. Also werden wir ein System um ULIS herum bauen und zeigen, dass etwas, das darum gebaut ist, sehr kompakt in Volumen und Gewicht im Vergleich zu kommerziell verfügbaren Lösungen ist.

Transkript

00:00:01 Wie machen wir Fahrzeuge, Industriemaschinen, Energiespeicher und Flugzeuge effizienter, kompakter, sicherer und bezahlbarer? Wir bauen ein besseres Leistungsmodul. Leistungsmodule sind essenzielle Teile moderner Hochspannungselektronik, die Energie von Quellen zu Zielen umwandeln, wie eine Fahrzeugbatterie zu ihrem Motor. Aber moderne Leistungsmodule sind durch ihre Größe und parasitäre Induktivität begrenzt: ein Maß für verschwendete Energie, wenn Module Strom umwandeln. Jetzt kann NRELs neues ULIS-Leistungsmodul Fahrzeuge und andere Hochspannungselektronik bei einem Bruchteil der Größe, Kosten und parasitären Induktivität seiner Wettbewerber betreiben. Aber das ist nicht die einzige Art, wie ULIS die Konkurrenz schlägt. Es ist auch simpler, schneller zu montieren und effizienter. ULIS ist modular, anpassbar an eine breite Palette von Technologien und Designs und fähig zu

00:00:59 drahtloser Überwachung des Maschinenzustands in Echtzeit, um Fehler vorherzusagen, bevor sie passieren. Dank seiner unübertroffenen Leistungsdichte kann ULIS aufregende neue Technologien freisetzen wie tragbare ultraschnelle EV-Lader, miniature Fusionsreaktoren zur Unterstützung von Mikronetzen und Rechenzentren und sogar fortschrittliche Luftmobilität. ULISs Power-Pack-Design kann helfen, eine sicherere, intelligentere, effizientere und bezahlbarere Zukunft moderner Elektronik zu bauen. Mehr Leistung für weniger.