Wir stellen vor:ULIS:Ein Leistungsmodul, das Effizienz, Leistungsdichte und niedrige Herstellungskosten neu definiert

Andrew Corselli

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

Der weltweite Energiebedarf steigt rasant, angetrieben durch energieintensive Rechenzentren, die künstliche Intelligenz vorantreiben, und eine zunehmende Produktion. Wie wird die Welt diesen steigenden Energiebedarf decken?

Eine Antwort besteht darin, die von uns bereits produzierte Energie besser und zu geringeren Kosten zu nutzen. Um dieses Ziel zu erreichen, haben NREL-Forscher ein Leistungsmodul auf Siliziumkarbidbasis entwickelt – ein physisches Gehäuse für die Leistungselektronik, die den Stromfluss zwischen Systemen steuert – mit beispielloser Effizienz, Leistungsdichte und kostengünstiger Herstellbarkeit.

Der Durchbruch, NRELs Ultra-Low Inductance Smart Power Module genannt, trägt den Spitznamen ULIS. Angetrieben durch Siliziumkarbid-Halbleiter ist ULIS in der Lage, eine fünfmal höhere Energiedichte als Vorgängerdesigns in einem kleineren Gehäuse zu erreichen, was es Herstellern ermöglicht, effizientere, kompaktere und leichtere Technologien zu bauen und zu betreiben. Das 1200-Volt-400-Ampere-Leistungsmodul eignet sich für den Einsatz in Rechenzentren, Stromnetzen, Mikroreaktoren und sogar in Schwerlastfahrzeugen wie Flugzeugen und Militärfahrzeugen der nächsten Generation.

Hier ist ein exklusiverTech Briefs Interview, aus Gründen der Länge und Klarheit bearbeitet, mit dem Hauptforscher Faisal Khan, NRELs Chefforscher für Leistungselektronik.

Technische Kurzinformationen :Was war die größte technische Herausforderung für Sie bei der Entwicklung von ULIS?

Khan :ULIS verwendet einen nicht-orthodoxen Herstellungsprozess. Ein Leistungsmodul ist ein Schaltgerät; Es verfügt über einen oberen und einen unteren Schalter und wir verwenden handelsübliche Matrizen. Daher haben wir nicht die Art und Weise verfolgt, wie andere Leistungsmodule hergestellt werden, da andere Leistungsmodule rechteckig sind und eine bestimmte Stromführung haben, d. h. die Art und Weise, wie der Strom im Inneren des Moduls fließt. Wir haben das nicht befolgt, weil unsere erste Absicht darin bestand, die parasitäre Induktivität zu reduzieren, damit wir schneller schalten können. Und wir brauchten eine Flussunterdrückungstechnik, also einen durch den Strom induzierten Fluss. Wir mussten es aufheben, damit die effektive Induktivität innerhalb des Moduls niedrig war – oder auch wenn sie nicht niedrig ist, aber wenn man Strom anlegt, verhält sie sich so, als wäre sie niedrig.

Deshalb mussten wir ULIS auf eine unkonventionelle, unorthodoxe Weise entwerfen, aber es war nicht einfach. Ich würde sagen, es bedurfte einer sehr feinen Bearbeitung. Das war für uns die größte Herausforderung.

Technische Kurzinformationen :Können Sie bitte in einfachen Worten erklären, wie ULIS funktioniert?

Khan :ULIS verfügt über drei große Innovationen. Die erste Variante hat eine extrem niedrige Induktivität, was bedeutet, dass sie über eine bestimmte Anzahl von Geräten verfügt, die parallel und in Reihe geschaltet sind – also sind oben vier Geräte parallel geschaltet, unten sind vier Geräte parallel geschaltet und diese beiden Gruppen sind in Reihe geschaltet. Jedes Gerät hat eine Nennspannung von 100 Ampere, die Vierergruppe in Parallelschaltung hat also eine Nennspannung von 400 Ampere und jede Gruppe hat eine Nennspannung von 1,2 Kilovolt. Die Funktionsweise besteht darin, dass der obere Schalter aktiviert wird, wenn Sie ein Gate-Signal an die obere Gruppe anlegen. Wenn Sie ein Gate-Signal an die untere Gruppe anlegen, wird der untere Schalter aktiviert.

Wir haben die Chips oben mit den Chips unten verbunden, so dass sich die Effekte der parasitären Induktivitäten gegenseitig aufheben und die gesamte effektive parasitäre Induktivität extrem niedrig ist. Für das beste im Handel erhältliche 400-Ampere-1,2-kV-Modul beträgt die parasitäre Induktivität etwa sechs Nanohenry, während sie bei ULIS nahe bei 500–600 Picohenry liegt – eine 10- bis 11-fache Reduzierung.

Wie es funktioniert, ist sehr schwer zu erklären, aber das Gesamtkonzept besteht in der Flussunterdrückung innerhalb des Leistungsmoduls. Dies ist eine zum Patent angemeldete Technik und wir versuchen, einen Anbieter zu finden, der an der Kommerzialisierung dieser Technik interessiert wäre.

Die zweite Innovation ist unsere Isolationsschicht. Jedes Leistungsmodul benötigt dies, da die Dies oben von der Unterseite isoliert werden müssen. Kommerziell erhältliche Module verwenden Keramik, die elektrisch isoliert und wärmeleitend ist. Das sind Eigenschaften, die wir brauchen. Der größte Nachteil von Keramik besteht darin, dass sie teuer ist. Außerdem ist die Bearbeitung sehr schwierig – zum Schneiden ist eine ganz besondere Bearbeitung erforderlich. Unsere Absicht war es, einen Herstellungsprozess zu entwickeln, der ein schnelles Prototyping ermöglicht. Anstelle von Keramik verwenden wir also Temprion, eine Polyamidfolie, die Sie schneiden können. Es sorgt für die notwendige elektrische Isolierung und ist gleichzeitig wärmeleitend. Obwohl es nicht so gut ist wie Keramik, ist die Schicht so dünn, dass es keine Kompromisse bei der Wärmeleitfähigkeit gibt. So ist Rapid Prototyping möglich.

Drittens kann ULIS drahtlos gesteuert werden. Wenn ein System über viele Leistungsmodule verfügt, ist es sehr schwierig, jedes einzelne davon zu steuern, da so viele Kabel vorhanden sind. Wenn man also in einem komplexen System mit so vielen Modulen diese drahtlos steuern und überwachen kann, ist das ein großer Vorteil.

Technische Kurzinformationen :Sie sagten, dass ULIS zum Patent angemeldet ist und Sie es kommerzialisieren möchten. Meine Frage ist:Wohin geht es von hier aus? Was sind Ihre nächsten Schritte?

Khan :Ja. ULIS hat mehrere Iterationen durchlaufen. Das Gerät, mit dem wir angefangen haben, hatte eine Induktivität von 700 Picohenry, und jetzt sind es weniger als 600 Picohenry. Jetzt versuchen wir, einen Rundgang um ULIS herum aufzubauen. Es könnte sich also um einen großen Wechselrichter, ein großes Batterieladegerät oder einen AC-DC-Wandler handeln.

Letztes Jahr nahm ULIS am R&D 100-Wettbewerb teil und wir gehörten zu den Finalisten – wir wurden zu einem der 158 besten Projekte. Um sich für den R&D 100 Award zu qualifizieren, müssen Sie jedoch unter den Top 100 sein. Leider konnten wir es nicht unter die Top 100 schaffen.

Dieses Jahr versuchen wir es erneut, denn es ist ein Gesamtpaket. Um Anspruch auf R&D 100 zu haben, ist eine lizenzierte Technologie eine der wichtigsten Voraussetzungen. Wenn wir also diese Technologie lizenzieren können und nachweisen können, dass ein Unternehmen dieses ULIS-Leistungsmodul lizenziert hat, wären wir für diese Auszeichnung sehr wettbewerbsfähig. Wir werden also ein System rund um ULIS aufbauen und zeigen, dass etwas, das darauf aufgebaut ist, im Vergleich zu kommerziell erhältlichen Lösungen sehr kompakt in Volumen und Gewicht ist.

Transkript

00:00:01 Wie machen wir Fahrzeuge, Industriemaschinen, Energiespeicher und Flugzeuge effizienter, kompakter, sicherer und erschwinglicher? Wir bauen ein besseres Leistungsmodul.    Leistungsmodule sind wesentliche Bestandteile der modernen Hochspannungselektronik, die Energie von Quellen zu Zielen umwandeln, beispielsweise eine Fahrzeugbatterie in ihren Motor. Moderne Leistungsmodule sind jedoch durch ihre Größe und die parasitäre Induktivität begrenzt:ein Maß für die Energieverschwendung, wenn Module Strom umwandeln.  Jetzt kann das neue ULIS-Leistungsmodul von NREL Fahrzeuge und andere Hochspannungselektronik mit einem Bruchteil der Größe, Kosten und parasitären Induktivität seiner Konkurrenten versorgen.   Aber das ist nicht der einzige Weg, mit dem ULIS die Konkurrenz übertrifft. Außerdem ist es einfacher, schneller zu montieren und effizienter. ULIS ist modular, anpassbar an eine breite Palette von Technologien und Designs und in der Lage,  

00:00:59 Überwachen Sie drahtlos den Zustand einer Maschine in Echtzeit, um Fehler vorherzusagen, bevor sie auftreten.     Dank seiner unübertroffenen Leistungsdichte kann ULIS aufregende neue Technologien wie tragbare superschnelle Ladegeräte für Elektrofahrzeuge, Miniatur-Fusionsreaktoren zur Unterstützung von Mikronetzen und Rechenzentren und sogar fortschrittliche Luftmobilität erschließen. Das Netzteildesign von ULIS kann dazu beitragen, eine sicherere, intelligentere, effizientere und erschwinglichere Zukunft moderner Elektronik zu schaffen.   Es ist mehr Leistung für weniger.