Presentamos ULIS:un módulo de potencia que redefine la eficiencia, la densidad de potencia y los bajos costos de fabricación

Andrés Corselli

ULIS se puede mecanizar utilizando equipos ampliamente disponibles, lo que reduce los costos de fabricación del módulo de potencia de miles a cientos de dólares. (Imagen:Brooke Buchan, NREL)

La demanda mundial de energía está aumentando, impulsada por los centros de datos que consumen mucha energía y que alimentan la inteligencia artificial y el aumento de la fabricación. ¿Cómo satisfará el mundo estas crecientes necesidades energéticas?

Una respuesta es aprovechar más la energía que ya producimos y a un costo menor. Para lograr este objetivo, los investigadores del 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 una eficiencia, densidad de potencia y capacidad de fabricación de bajo costo nunca antes vistas.

El avance, llamado módulo de potencia inteligente de inductancia ultrabaja de NREL, recibe el sobrenombre de ULIS. Impulsado por semiconductores de carburo de silicio, ULIS es capaz de lograr una densidad de energía cinco veces mayor que los diseños anteriores en un paquete más pequeño, lo que permite a los fabricantes construir y alimentar tecnologías más eficientes, compactas y livianas. El módulo de potencia de 1200 voltios y 400 amperios es adecuado para su uso en centros de datos, redes eléctricas, microrreactores e incluso vehículos pesados, como aviones y vehículos militares de próxima generación.

Aquí hay un Tech Briefs exclusivo entrevista, editada para mayor extensión y claridad, con el investigador principal Faisal Khan, investigador jefe de electrónica de potencia del NREL.

Resúmenes técnicos :¿Cuál fue el mayor desafío técnico al que se enfrentó mientras desarrollaba ULIS?

Khan :ULIS utiliza un proceso de fabricación no ortodoxo. Un módulo de potencia es un dispositivo de conmutación; tiene un interruptor superior y un interruptor inferior, y utilizamos matrices disponibles comercialmente. Por lo tanto, no seguimos la forma en que se fabrican otros módulos de potencia porque otros módulos de potencia son rectangulares, tienen un enrutamiento de corriente específico, la forma en que la corriente fluye en el interior del módulo. No seguimos eso porque nuestra primera intención era reducir la inductancia parásita para poder cambiar más rápido. Y necesitábamos una técnica de cancelación de flujo, es decir, 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 la ULIS de una manera que no fuera convencional ni ortodoxa, pero no fue fácil. Necesitaba un mecanizado muy, diría yo, delicado. Ese fue el mayor desafío para nosotros.

Resúmenes técnicos :¿Puede explicarnos en términos sencillos cómo funciona ULIS?

Khan :ULIS tiene tres innovaciones principales. El primero es de inductancia ultrabaja, lo que significa que tiene una cierta cantidad de dispositivos conectados en paralelo y en serie, por lo que cuatro dispositivos están conectados en paralelo en la parte superior, cuatro dispositivos están conectados en paralelo en la parte inferior y estos dos grupos están conectados en serie. Cada dispositivo tiene una potencia nominal de 100 amperios, por lo que el grupo de cuatro en paralelo tiene una potencia nominal de 400 amperios y cada grupo tiene una potencia nominal de 1,2 kilovoltios. La forma en que funciona es que, si aplica una señal de puerta al grupo superior, el interruptor superior se activa; si aplica una señal de puerta al grupo inferior, se activa el interruptor inferior.

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

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

La segunda innovación es nuestra capa aislante. Cada módulo de potencia necesita eso porque los troqueles de la parte superior deben estar aislados de la parte inferior. Los módulos disponibles comercialmente utilizan cerámica, que proporciona aislamiento eléctrico y es térmicamente conductora. Esas son propiedades que necesitamos. El mayor inconveniente de la cerámica es que es cara. También es muy difícil trabajar en ella:se necesita un mecanizado muy especial para cortarla. Nuestra intención era diseñar un proceso de fabricación en el que fuera posible la creación rápida de prototipos. Entonces, en lugar de cerámica, utilizamos Temprion, que es una película de poliamida que se puede cortar. Proporciona el aislamiento eléctrico necesario y al mismo tiempo es termoconductor. Aunque no es tan buena como la cerámica, la capa es tan delgada que no compromete la conductividad térmica. Así es posible crear prototipos rápidamente.

Número tres, ULIS se puede controlar de forma inalámbrica. Cuando un sistema tiene muchos módulos de potencia, es muy difícil controlar cada uno de ellos porque habrá muchos cables. Entonces, en un sistema complejo, donde hay tantos módulos, si puedes controlarlos y monitorearlos de forma inalámbrica, es una gran ventaja.

Resúmenes técnicos :Usted dijo que ULIS tiene patente pendiente y está buscando comercializarla. Mi pregunta es:¿A dónde vas desde aquí? ¿Cuáles son tus próximos pasos?

Khan :Sí. ULIS ha pasado por múltiples iteraciones. El que empezamos tenía una inductancia de 700 picohenrios y ahora tiene menos de 600 picohenrios. Ahora estamos intentando construir un circuito alrededor de ULIS. Por lo tanto, podría ser un inversor grande, un cargador de batería grande o un convertidor AC-DC.

El año pasado, ULIS participó en el concurso R&D 100 y quedó entre los finalistas:llegamos a estar entre los 158 proyectos principales. Pero, para ser elegible para obtener el premio R&D 100, debe estar entre los 100 primeros. Desafortunadamente, no pudimos estar entre los cien primeros.

Este año, intentaremos hacerlo nuevamente porque es un paquete completo. Para ser elegible para R&D 100, una de las cosas clave es una tecnología autorizada. Entonces, si podemos obtener la licencia de esta tecnología, si podemos demostrar que una empresa ha obtenido la licencia de este módulo de potencia ULIS, eso nos haría muy competitivos para este premio. Por lo tanto, vamos a construir un sistema alrededor de ULIS y mostrar que algo construido alrededor de él es muy compacto en volumen y peso en comparación con las soluciones disponibles comercialmente.

Transcripción

00:00:01 ¿Cómo podemos hacer que los vehículos, la maquinaria industrial, el almacenamiento de energía y los aviones sean más eficientes, compactos, seguros y asequibles? Construimos un mejor módulo de potencia.    Los módulos de energía son partes esenciales de la electrónica moderna de alto voltaje que convierten la energía de las fuentes a los destinos, como la batería de un vehículo en su motor. Pero los módulos de energía modernos están limitados por su tamaño y su inductancia parásita:una medida de energía desperdiciada cuando los módulos convierten la electricidad.  Ahora el nuevo módulo de potencia ULIS de NREL puede alimentar vehículos y otros dispositivos electrónicos 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 sencillo, más rápido de montar y más eficiente. ULIS es modular,   adaptable para servir a una amplia gama de  tecnologías y diseños, y capaz de  

00:00:59 monitorear de forma inalámbrica el estado de una máquina en tiempo real para predecir fallas antes de que ocurran.     Gracias a su inigualable densidad de potencia, ULIS puede desbloquear nuevas e interesantes tecnologías como cargadores portátiles ultrarrápidos para vehículos eléctricos, reactores de fusión en miniatura para soportar microrredes y centros de datos, e incluso movilidad aérea avanzada. El diseño del paquete de energía de ULIS puede ayudar a construir un futuro más seguro, más inteligente, más eficiente y más asequible para la electrónica moderna.   Es más potencia por menos.