Introductie van ULIS:een voedingsmodule die efficiëntie, vermogensdichtheid en lage productiekosten opnieuw definieert

Andrew Corselli

ULIS kan worden bewerkt met algemeen beschikbare apparatuur, waardoor de productiekosten voor de voedingsmodule van duizenden tot honderden dollars worden verlaagd. (Afbeelding:Brooke Buchan, NREL)

De mondiale vraag naar energie stijgt, onder impuls van energie-intensieve datacenters die kunstmatige intelligentie aandrijven en de productie verhogen. Hoe zal de wereld aan deze stijgende energiebehoeften voldoen?

Eén antwoord is om meer gebruik te maken van de energie die we al produceren, en tegen lagere kosten. Om dit doel te bereiken hebben NREL-onderzoekers een op siliciumcarbide gebaseerde voedingsmodule gecreëerd – een fysieke behuizing voor de vermogenselektronica die de elektriciteitsstroom tussen systemen regelt – met een nooit eerder geziene efficiëntie, vermogensdichtheid en goedkope produceerbaarheid.

De doorbraak, genaamd NREL’s Ultra-Low Inductance Smart power module, heeft de bijnaam ULIS. Aangedreven door halfgeleiders van siliciumcarbide, is ULIS in staat om een ​​vijf keer grotere energiedichtheid te bereiken dan voorgaande ontwerpen in een kleiner pakket, waardoor het voor fabrikanten mogelijk wordt om efficiëntere, compacte en lichtere technologieën te bouwen en aan te drijven. De voedingsmodule van 1200 volt en 400 ampère is geschikt voor gebruik in datacentra, elektriciteitsnetwerken, microreactoren en zelfs zware voertuigen zoals vliegtuigen van de volgende generatie en militaire voertuigen.

Hier is een exclusieve Tech Briefs interview, bewerkt voor lengte en duidelijkheid, met hoofdonderzoeker Faisal Khan, NREL’s Chief Power Electronics Researcher.

Technische slips :Wat was de grootste technische uitdaging waarmee u te maken kreeg tijdens de ontwikkeling van ULIS?

Khan :ULIS maakt gebruik van een niet-orthodox fabricageproces. Een voedingsmodule is een schakelapparaat; het heeft een bovenste schakelaar en een onderste schakelaar, en we gebruiken in de handel verkrijgbare matrijzen. We hebben dus niet de manier gevolgd waarop andere voedingsmodules worden gefabriceerd, omdat andere voedingsmodules rechthoekig zijn en een specifieke stroomgeleiding hebben, de manier waarop de stroom in de module vloeit. Dat hebben we niet gevolgd, omdat het onze eerste bedoeling was om de parasitaire inductie te verminderen, zodat we sneller kunnen schakelen. En we hadden een flux-annuleringstechniek nodig, wat betekent dat flux wordt geïnduceerd door de stroom. We moesten dit annuleren, zodat de effectieve inductie in de module laag was - of zelfs als deze niet laag is, maar wanneer je stroom aanbrengt, gedraagt deze zich alsof deze laag is.

Daarom moesten we ULIS ontwerpen op een manier die niet-conventioneel en niet-orthodox was, maar het was niet gemakkelijk. Er was een zeer, zou ik zeggen, delicate bewerking voor nodig. Dat was voor ons de grootste uitdaging.

Technische slips :Kunt u in eenvoudige bewoordingen uitleggen hoe ULIS werkt?

Khan :ULIS heeft drie belangrijke innovaties. De eerste heeft een ultralage inductantie, wat betekent dat er een bepaald aantal apparaten parallel en in serie zijn aangesloten. Er zijn dus vier apparaten parallel aan de bovenkant aangesloten, vier apparaten aan de onderkant parallel en deze twee groepen zijn in serie verbonden. Elk apparaat heeft een vermogen van 100 ampère, dus de groep van vier parallel geschakeld heeft een vermogen van 400 ampère en elke groep heeft een vermogen van 1,2 kilovolt. De manier waarop het werkt is dat als je een poortsignaal op de bovenste groep toepast, de bovenste schakelaar wordt geactiveerd; als je een poortsignaal toepast op de onderste groep, wordt de onderste schakelaar geactiveerd.

We hebben de matrijzen bovenaan verbonden met de matrijzen onderaan, zodat de effecten van de parasitaire inductanties elkaar opheffen en de algehele effectieve parasitaire inductantie extreem laag is. Voor de beste in de handel verkrijgbare module van 400 ampère en 1,2 kv bedraagt de parasitaire inductie ongeveer zes nanohenries, terwijl deze voor ULIS bijna 500-600 picohenries bedraagt:een reductie van tien tot elf keer.

Hoe het werkt is heel moeilijk uit te leggen, maar het algemene concept is flux-annulering in de voedingsmodule. Dit is een techniek waarvoor patent is aangevraagd en we proberen een leverancier te vinden die geïnteresseerd zou zijn om deze op de markt te brengen.

De tweede innovatie is onze isolatielaag. Elke voedingsmodule heeft dat nodig omdat de dies aan de bovenkant geïsoleerd moeten worden van de onderkant. In de handel verkrijgbare modules maken gebruik van keramiek, dat 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 om eraan te werken; je hebt heel speciale bewerking nodig om het te snijden. Onze bedoeling was om een ​​fabricageproces te ontwerpen waarbij snelle prototyping mogelijk is. Daarom gebruiken we in plaats van keramiek Temprion, een polyamidefilm die je kunt snijden. Het zorgt voor de nodige elektrische isolatie en is tegelijkertijd thermisch geleidend. Hoewel het niet zo goed is als keramiek, is de laag zo dun dat er geen concessies worden gedaan aan de thermische geleidbaarheid. Rapid prototyping is dus mogelijk.

Nummer drie:ULIS kan draadloos worden bestuurd. Als een systeem veel voedingsmodules heeft, is het erg moeilijk om ze allemaal te bedienen, omdat er zoveel draden zijn. Dus als je in een complex systeem met zoveel modules ze draadloos kunt besturen en draadloos kunt monitoren, is dat een groot voordeel.

Technische slips :U zei dat er patent op is aangevraagd voor ULIS en dat u het wilt commercialiseren. Mijn vraag is:waar ga je heen vanaf hier? Wat zijn je volgende stappen?

Khan :Ja. ULIS heeft meerdere iteraties ondergaan. Degene waarmee we begonnen had een inductantie van 700 picohenry, en nu is deze minder dan 600 picohenry. Nu proberen we een circuit rond ULIS te bouwen. Het kan dus een grote omvormer, een grote batterijlader of een AC-DC-omzetter zijn.

Vorig jaar ging ULIS naar de R&D 100-wedstrijd en we werden een van de finalisten – we werden een van de 158 beste projecten. Maar om in aanmerking te komen voor de R&D 100 Award moet je in de top 100 staan. Helaas konden we niet in de top honderd komen.

Dit jaar proberen we er weer voor te gaan, want het is een volwaardig pakket. Om in aanmerking te komen voor R&D 100 is een van de belangrijkste zaken een gelicentieerde technologie. Dus als we deze technologie in licentie kunnen geven, als we kunnen aantonen dat een bedrijf een licentie voor deze ULIS-stroommodule heeft, zouden we zeer competitief zijn voor deze prijs. We gaan dus een systeem rond ULIS bouwen en laten zien dat iets dat eromheen is gebouwd zeer compact is qua volume en gewicht in vergelijking met commercieel verkrijgbare oplossingen.

Transcriptie

00:00:01 Hoe maken we voertuigen, industriële machines, energieopslag en vliegtuigen efficiënter, compacter, veiliger en betaalbaarder? We bouwen een betere voedingsmodule.    Voedingsmodules zijn essentiële onderdelen van moderne hoogspanningselektronica die energie omzetten van bronnen naar bestemmingen, zoals de accu van een voertuig in de motor. Maar moderne voedingsmodules worden beperkt door hun grootte en parasitaire inductie:een maatstaf voor de energie die wordt verspild wanneer modules elektriciteit omzetten.  Nu kan de nieuwe ULIS-voedingsmodule van NREL voertuigen en andere hoogspanningselektronica van stroom voorzien tegen een fractie van de omvang, kosten en parasitaire inductie van zijn concurrenten.   Maar dat is niet de enige manier waarop ULIS de concurrentie de baas is. Het is ook eenvoudiger, sneller te monteren en efficiënter. ULIS is modulair,   aanpasbaar voor een breed scala aan  technologieën en ontwerpen, en in staat  

00:00:59 draadloos en in realtime de status van een machine monitoren om fouten te voorspellen voordat ze zich voordoen.     Dankzij de ongeëvenaarde vermogensdichtheid kan ULIS opwindende nieuwe technologieën ontsluiten, zoals draagbare supersnelle EV-laders, miniatuurfusiereactoren ter ondersteuning van microgrids en datacentra, en zelfs geavanceerde luchtmobiliteit. Het power pack-ontwerp van ULIS kan helpen bij het bouwen van een veiligere, slimmere, efficiëntere en beter betaalbare toekomst van moderne elektronica.   Het is meer kracht voor minder.