Presentación de ULIS: Un módulo de potencia que redefine eficiencia, densidad de potencia y bajo costo de fabricación

Andrew Corselli

ULIS puede mecanizarse usando equipo ampliamente disponible, reduciendo los costos de fabricación del módulo de potencia de miles a cientos de dólares. (Imagen: Brooke Buchan, NREL)

Las demandas energéticas globales están aumentando, impulsadas por centros de datos intensivos en energía que alimentan la inteligencia artificial y la manufactura incrementada. ¿Cómo satisfará el mundo estas crecientes necesidades energéticas?

Una respuesta es obtener más uso de la energía que ya producimos y a menor costo. En busca de este objetivo, investigadores de NREL han creado un módulo de potencia basado en carburo de silicio —una carcasa física para la electrónica de potencia que controla el flujo de electricidad entre sistemas— con eficiencia, densidad de potencia y fabricabilidad de bajo costo nunca antes vistas.

El avance, llamado Módulo de Potencia Inteligente de Ultra Baja Inductancia de NREL, se apoda ULIS. Alimentado por semiconductores de carburo de silicio, ULIS es capaz de lograr cinco veces mayor densidad de energía que diseños predecesores en un paquete más pequeño, permitiendo a los fabricantes construir y alimentar tecnologías más eficientes, compactas y ligeras. El módulo de potencia de 1200 voltios, 400 amperios es adecuado para uso en centros de datos, redes eléctricas, microrreactores e incluso vehículos pesados como aviones de próxima generación y vehículos militares.

Aquí hay una entrevista exclusiva de Tech Briefs, editada por longitud y claridad, con el Investigador Principal Faisal Khan, Investigador Jefe de Electrónica de Potencia de NREL.

Tech Briefs: ¿Cuál fue el mayor desafío técnico que enfrentó al desarrollar ULIS?

Khan: ULIS usa un proceso de fabricación no ortodoxo. Un módulo de potencia es un dispositivo de conmutación; tiene un interruptor superior e inferior, y usamos dies disponibles comercialmente. Así que no seguimos la forma en que se fabrican otros módulos de potencia porque otros módulos son rectangulares, tienen enrutamiento de corriente específico, la forma en que la corriente fluye dentro del módulo. No seguimos eso porque nuestra primera intención era reducir la inductancia parásita para poder conmutar más rápido. Y necesitábamos una técnica de cancelación de flujo, lo que significa flujo inducido por la corriente. Necesitábamos cancelarlo para que la inductancia efectiva dentro del módulo fuera baja —o incluso si no es baja, pero cuando aplicas corriente, actúa como si fuera baja.

Por eso tuvimos que diseñar ULIS de una manera que era no convencional, no ortodoxa, pero no fue fácil. Necesitaba un mecanizado muy, diría yo, delicado. Ese fue el mayor desafío para nosotros.

Tech Briefs: ¿Puede explicar en términos simples cómo funciona ULIS?

Khan: ULIS tiene tres innovaciones principales. La primera es la ultra-baja inductancia, lo que significa que tiene un cierto número de dispositivos conectados en paralelo y serie —así que cuatro dispositivos conectados en paralelo en la parte superior, cuatro dispositivos conectados en paralelo en la parte inferior y estos dos grupos conectados en serie. Cada dispositivo está clasificado a 100 amperios, así que el grupo de cuatro en paralelo está clasificado a 400 amperios y cada grupo está clasificado a 1,2 kilovoltios. La forma en que funciona es, si aplica una señal de compuerta al grupo superior, el interruptor superior se activa; si aplica una señal de compuerta al grupo inferior, el interruptor inferior se activa.

Conectamos los dies en la parte superior a los dies en la parte inferior de tal manera que los efectos de las inductancias parásitas se cancelan entre sí y la inductancia parásita efectiva general es extremadamente baja. Para el mejor módulo de 400 amperios, 1,2 kV disponible comercialmente, la inductancia parásita es de unos seis nanohenrios, mientras que para ULIS, está cerca de 500-600 picohenrios —una reducción de 10 a 11 veces.

Cómo funciona es muy difícil de explicar, pero el concepto general es la cancelación de flujo dentro del módulo de potencia. Esta es una técnica en patente pendiente, y estamos tratando de encontrar un vendedor interesado en comercializarla.

La segunda innovación es nuestra capa de aislamiento. Cada módulo de potencia necesita eso porque los dies en la parte superior tienen que estar aislados de la parte inferior. Los módulos disponibles comercialmente usan cerámica, que proporciona aislamiento eléctrico y es térmicamente conductiva. Esas son propiedades que necesitamos. El mayor inconveniente de la cerámica es que es cara. También es muy difícil de trabajar —necesitas mecanizado muy especial para cortarla. Nuestra intención era diseñar un proceso de fabricación donde el prototipado rápido sea posible. Así que, en lugar de cerámicas, usamos Temprion, que es una película de poliamida que puedes cortar. Proporciona el aislamiento eléctrico necesario, y al mismo tiempo es térmicamente conductiva. Aunque no es tan buena como la cerámica, la capa es tan delgada que no hay compromiso en la conductividad térmica. Así que el prototipado rápido es posible.

Número tres, ULIS puede ser controlado inalámbricamente. Cuando un sistema tiene muchos módulos de potencia, es muy difícil controlar cada uno de ellos porque habrá tantos cables. Así que, en un sistema complejo, donde hay tantos módulos, si puedes controlarlos inalámbricamente y monitorearlos inalámbricamente, esa es una gran ventaja.

Tech Briefs: Dijo que ULIS está en patente pendiente y busca comercializarlo. Mi pregunta es: ¿A dónde va desde aquí? ¿Cuáles son sus próximos pasos?

Khan: Sí. ULIS ha pasado por múltiples iteraciones. La que empezamos tenía una inductancia de 700 picohenrios, y ahora es menos de 600 picohenrios. Ahora estamos intentando construir un circuito alrededor de ULIS. Así que podría ser un gran inversor, un gran cargador de baterías, o un convertidor AC-DC.

El año pasado, ULIS fue a la competencia R&D 100, y nos convertimos en uno de los finalistas —nos convertimos en uno de los 158 mejores proyectos. Pero, para ser elegible para obtener el Premio R&D 100, necesitas estar en el top 100. Desafortunadamente, no pudimos entrar en el top cien.

Este año, lo intentaremos de nuevo porque es un paquete completo. Para ser elegible con R&D 100, una de las cosas clave es una tecnología licenciada. Así que si podemos licenciar esta tecnología, si podemos mostrar que una empresa ha licenciado este módulo de potencia ULIS, eso nos haría muy competitivos para este premio. Así que vamos a construir un sistema alrededor de ULIS y mostrar que algo construido alrededor de él es muy compacto en volumen y peso comparado con soluciones disponibles comercialmente.

Transcripción

00:00:01 ¿Cómo hacemos que vehículos, maquinaria industrial, almacenamiento de energía y aviones sean más eficientes, compactos, seguros y asequibles? Construimos un mejor módulo de potencia. Los módulos de potencia son partes esenciales de la electrónica moderna de alto voltaje que convierten energía de fuentes a destinos, como una batería de vehículo a su motor. Pero los módulos de potencia modernos están limitados por su tamaño e inductancia parásita: una medida de energía desperdiciada cuando los módulos convierten electricidad. Ahora el nuevo módulo de potencia ULIS de NREL puede alimentar vehículos y otra electrónica de alto voltaje a una fracción del tamaño, costo e inductancia parásita de sus competidores. Pero esa no es la única forma en que ULIS supera a la competencia. También es más simple, más rápido de ensamblar y más eficiente. ULIS es modular, adaptable a una amplia gama de tecnologías y diseños, y capaz de

00:00:59 monitorear inalámbricamente la salud de una máquina en tiempo real para predecir fallos antes de que ocurran. Gracias a su densidad de potencia inigualable, ULIS puede desbloquear nuevas tecnologías emocionantes como cargadores ultrarrápidos portátiles para VE, reactores de fusión miniatura para apoyar microrredes y centros de datos, e incluso movilidad aérea avanzada. El diseño del paquete de potencia de ULIS puede ayudar a construir un futuro más seguro, inteligente, eficiente y asequible de la electrónica moderna. Es más potencia por menos.