ULIS Introduceren: Een Stroommodule Die Efficiëntie, Vermogendichtheid en Lage Productiekosten Herdefinieert

Auteur: Andrew Corselli

ULIS kan bewerkt worden met breed beschikbare apparatuur, wat de productiekosten van de stroommodule van duizenden tot honderden dollars reduceert. (Afbeelding: Brooke Buchan, NREL)

Wereldwijde energievraag stijgt, gedreven door energie-intensieve datacentra die kunstmatige intelligentie aandrijven en toegenomen productie. Hoe zal de wereld deze stijgende energiebehoeftes halen?

Eén antwoord is meer rendement uit de energie die we al produceren en tegen lagere kosten. In het streven naar dit doel hebben NREL-onderzoekers een siliciumcarbide-gebaseerde stroommodule gecreëerd — een fysieke behuizing voor de stromelektronica die de stroomstroom tussen systemen regelt — met nog nooit geziene efficiëntie, vermogendichtheid en laag-kost fabricagebaarheid.

De doorbraak, genaamd NREL's Ultra-Low Inductance Smart power module, bijgenaamd ULIS. Aangedreven door siliciumcarbide halfgeleiders, is ULIS capabel van vijf keer grotere energiedichtheid dan voorgangerontwerpen in een kleiner pakket, wat het fabrikanten mogelijk maakt om efficiëntere, compactere en lichtere technologieën te bouwen en aan te drijven. De 1200-volt, 400-amp stroommodule is geschikt voor gebruik in datacentra, energienetten, microreactoren, en zelfs zware voertuigen zoals next-generation vliegtuigen en militaire voertuigen.

Hier is een exclusief Tech Briefs interview, bewerkt voor lengte en duidelijkheid, met Principal Investigator Faisal Khan, NREL's Hoofd Onderzoeker Stromelektronica.

Tech Briefs: Wat was de grootste technische uitdaging tijdens de ontwikkeling van ULIS?

Khan: ULIS gebruikt een niet-orthodoxe fabricageproces. Een stroommodule is een schakelapparaat; het heeft een bovenste schakelaar en een onderste schakelaar, en we gebruiken commercieel beschikbare dies. Dus, we volgden niet de manier waarop andere stroommodules geproduceerd worden omdat andere stroommodules rechthoekig zijn, ze hebben specifieke stroomrouting, de manier waarop de stroom binnenin de module stroomt. We volgden dat niet omdat onze eerste intentie was om de parasitair inductie te verminderen zodat we sneller kunnen schakelen. En we hadden een fluxcancellatietechniek nodig, wat betekent flux geïnduceerd door de stroom. We moesten het annuleren zodat de effectieve inductie binnen de module laag was — of zelfs als het niet laag is, maar wanneer je stroom toepast, gedraagt het zich alsof het laag is.

Daarom moesten we ULIS ontwerpen op een manier die niet-conventioneel, niet-orthodox was, maar het was niet makkelijk. Het had zeer, zou ik zeggen, delicieuze bewerking nodig. Dat was de grootste uitdaging voor ons.

Tech Briefs: Kun je in eenvoudige termen uitleggen hoe ULIS werkt?

Khan: ULIS heeft drie grote innovaties. De eerste is ultralage inductie, wat betekent dat het een bepaald aantal apparaten heeft die in parallel en serie verbonden zijn — vier apparaten zijn in parallel verbonden aan de bovenkant, vier apparaten in parallel aan de onderkant en deze twee groepen zijn in serie verbonden. Elk apparaat is good voor 100 ampere, dus de groep van vier in parallel is good voor 400 ampere en elke groep is good voor 1,2 kilovolt. De manier waarop het werkt is: als je een gate signaal aan de bovenste groep toepast, activeert de bovenste schakelaar; als je een gate signaal aan de onderste groep toepast, activeert de onderste schakelaar.

We verbonden de dies aan de bovenkant met de dies aan de onderkant zodanig dat de effecten van de parasitair inducties elkaars annuleren en de algehele effectieve parasitair inductie extreem laag is. Voor de beste commercieel beschikbare 400-amp, 1,2-kV module is de parasitair inductie ongeveer zes nanohenry, terwijl voor ULIS het dichtbij 500-600 picohenry ligt — een 10 tot 11 keer reductie.

Hoe het werkt is moeilijk uit te leggen, maar het algehele concept is fluxcancellatie binnen de stroommodule. Dit is een patent-pending techniek, en we proberen een vendor te vinden die geïnteresseerd zou zijn in commercialisatie.

De tweede innovatie is ons isolatielaag. Elke stroommodule heeft dat nodig omdat de dies aan de bovenkant geïsoleerd moeten zijn van de onderkant. Commercieel beschikbare modules gebruiken keramiek, wat elektrische isolatie biedt en thermisch geleidend is. Dat zijn eigenschappen die we nodig hebben. Het grootste nadeel van keramiek is dat het duur is. Het is ook erg moeilijk te bewerken — je hebt heel speciale bewerking nodig om het te snijden. Ons doel was om een fabricageproces te ontwerpen waar snelle prototyping mogelijk is. Dus in plaats van keramiek, gebruiken we Temprion, wat een polyamide film is die je kunt snijden. Het biedt de benodigde elektrische isolatie, en tegelijkertijd is het thermisch geleidend. Hoewel het niet zo goed is als keramiek, is de laag zo dun dat er geen concessie in thermische geleiding is. Dus snelle prototyping is mogelijk.

Nummer drie, ULIS kan draadloos gecontroleerd worden. Wanneer een systeem veel stroommodules heeft, is het erg moeilijk om elk van ze te controleren omdat er zoveel draden zullen zijn. Dus in een complex systeem, waar zoveel modules zijn, als je ze draadloos kunt controleren en monitoren, is dat een groot voordeel.

Tech Briefs: Je zei dat ULIS patent-pending is en je zoekt naar commercialisatie. Mijn vraag is: Waar ga je heen vanaf hier? Wat zijn je volgende stappen?

Khan: Ja. ULIS is door meerdere iteraties gegaan. Die we begonnen met had een 700-picohenry inductie, en nu is het minder dan 600 picohenry. Nu proberen we een circuit rond ULIS te bouwen. Dus het zou een grote inverter, een grote batterijlader, of een AC-DC converter kunnen zijn.

Vorig jaar ging ULIS naar de R&D 100 competitie, en we werden een van de finalisten — we werden een van de top 158 projecten. Maar, om in aanmerking te komen voor de R&D 100 Award, moet je in de top 100 zitten. Helaas konden we niet in de top honderd komen.

Dit jaar proberen we het opnieuw omdat het een compleet pakket is. Om in aanmerking te komen voor R&D 100, is een van de sleutel dingen een gelicenseerde technologie. Dus als we deze technologie kunnen licentiëren, als we kunnen tonen dat een bedrijf deze ULIS stroommodule heeft gelicenseerd, dat zou ons heel competitief maken voor deze award. Dus we gaan een systeem rond ULIS bouwen en demonstreren dat iets wat eromheen gebouwd is, heel compact is in volume en gewicht vergeleken met commercieel beschikbare oplossingen.

Transcript

00:00:01 Hoe maken we voertuigen, industriële machines, energielopslag en vliegtuigen efficiënter, compacter, veiliger en betaalbaarder? We bouwen een betere stroommodule. Stroommodules zijn essentiële onderdelen van hoogspannings moderne elektronica die energie van bronnen naar bestemmingen converteren, zoals een voertuigbatterij naar de motor. Maar moderne stroommodules zijn beperkt door hun grootte en parasitair inductie: een maat van verspilde energie wanneer modules elektriciteit converteren. Maar NREL's nieuwe ULIS stroommodule kan voertuigen en andere hoogspannings elektronica aandrijven bij een fractie van de grootte, kosten en parasitair inductie van concurrenten. Maar dat is niet de enige manier waarop ULIS de concurrentie overtreft. Het is ook eenvoudiger, sneller te assembleren, en efficiënter. ULIS is modulair, aanpasbaar aan een breed scala aan technologieën en ontwerpen, en capabel van

00:00:59 draadloos de gezondheid van een machine in real-time te monitoren om fouten te voorspellen voordat ze gebeuren. Dankzij zijn ongeëvenaarde vermogendichtheid kan ULIS opwindende nieuwe technologieën ontgrendelen zoals draagbare super-snelle EV-laders, miniatuur fusie reactoren ter ondersteuning van microgrids en datacentra, en zelfs geavanceerde luchtmobiliteit. ULIS's power pack ontwerp kan helpen een veiliger, slimmere, efficiëntere en betaalbaardere toekomst van moderne elektronica te bouwen. Meer vermogen voor minder.