全球電力需求正在迅速增長。支持人工智能的高耗能數據中心以及不斷擴大的製造業給全球電網帶來了前所未有的壓力。滿足這一需求需要的不僅僅是額外的發電。
一種有前途的解決方案是以更高效、更低成本的方式使用現有能源。
節省能源的新方法
國家可再生能源實驗室（NREL）的研究人員開發了一種新型碳化矽功率模塊。它旨在極大地改善電力轉換和輸送的方式。電源模塊是包含電力電子設備的外殼。它控制系統之間的電流這種新設計提供了破紀錄的性能。更高的能量密度和生產工藝可降低成本
該技術被稱為 NREL 的超低電感智能功率模塊 (ULIS)。使用碳化矽半導體，ULIS 可以實現以前設計五倍的功率密度，同時佔用更少的空間。這種組合使製造商能夠製造出更小、更輕、更節能的設備。 1200 伏、400 安的模塊非常適合數據中心。電網小型反應堆和重型平台，例如下一代飛機和軍用車輛。
為什麼超低電感很重要？
ULIS 的一個關鍵優勢是其極低的寄生感應。這是指減緩電流變化的電阻。並有效限制功率轉換。與當今最先進的碳化矽功率模塊相比，ULIS 可將該電阻降低七到九倍。
這是因為該系統可以快速有效地改變電力。從而將現有電力轉化為更可用的電能。此功能使 ULIS 能夠從相同的能源中獲取更多的價值。這使其成為滿足不斷增長的全球能源需求的有力選擇。
“我們認為 ULIS 是一個真正的突破，”NREL 首席電力電子研究員兼該項目首席研究員 Faisal Khan 說道。 “這是一款面向未來的超快速電源模塊。這將使下一代能源轉換器更加經濟、高效且更加緊湊”
專為極端條件下的可靠性而設計
ULIS 的設計不僅僅是為了提高效率。而且還確保在苛刻環境下的可靠性。 Khan 表示，這個輕量級但功能強大的模塊可以監控自身的健康狀況並在組件故障發生之前進行預測。
此功能對於航空和軍事行動等高風險應用尤其重要。對於在 30,000 英尺高空運行的飛機或在戰區運行的車輛 早期發現故障 這可能是任務成功與災難損失之間的區別。
“ULIS 確實是一項自發的努力。它完全是 NREL 內部建造的，”Khan 說。 “我們非常高興能夠在現實世界中展示其優勢。”
完全重新設計以降低生產成本。
ULIS 的許多性能提升都來自於全新的物理設計。
傳統的電源模塊將半導體器件堆疊在盒狀封裝內。相反，ULIS 將電路佈置為扁平的八角形佈局。這種盤狀結構可以在更小的空間內容納更多的組件。同時減小了尺寸和重量 創新的電流佈線減少了磁場干擾。這有助於提供更清潔的電力輸出和更高的整體效率。
“我們最關心的是設備關閉和打開的速度有多快。我們想要一種不會在設計中產生死點的格式，”設計 ULIS 通量消除架構的 NREL 電力電子研究員 Shuofeng Zhu 說。
早期概念 這是對複雜三維形狀的探索。其中包括類似花朵或空心圓柱體的設計。然而，這些想法太昂貴或太難實現。當團隊將概念的複雜性降低到近乎二維的結構時，突破出現了。另一位 NREL 電力電子研究員 Sarwar Islam 提出了一種平衡性能、成本和可製造性的扁平設計。
“我們把它像煎餅一樣壓扁，”趙說。 “突然之間，我們有了低成本和高性能的設計。它們非常容易創建。”
NREL 電力電子團隊的 Joshua Major 開發了一種新的製造方法，只需使用內部工具和設施即可生產複雜的結構。其結果是一種將三維繫統的電氣優勢與平面生產的實用性相結合的設計。
柔性材料和無線控制
ULIS 也與傳統材料不同。傳統的電源模塊將銅直接粘合到堅固的陶瓷底座上以導電和控制熱量。雖然這種方法很有效，但是這限制了靈活性。
相反，ULIS 將銅與一種稱為Temprion 的柔性聚合物連接起來。這一變化使得結構更薄、更輕、適應性更強。該材料僅通過熱量和壓力即可粘合到銅上。銅部件可以使用常用設備進行加工。結果，生產成本從數千美元減少到數百美元。
ULIS 的另一個重要進步是無線。無需物理電纜即可控制和監視模塊。它充當一個獨立的單元。這種類似樂高的模塊化設計允許集成到各種系統中。從數據中心服務器到先進的飛機和軍用車輛。由 Sarwar Islam 主導的低延遲無線通信協議專利正在申請中。
專為未來技術而設計
儘管ULIS目前依賴先進的碳化矽半導體，但該設計是為了進一步發展而創建的。該模塊未來可應用於半導體材料。這包括氮化鎵和氧化鎵。尚未投入商業使用
這些創新共同支持關鍵目標。隨著社會越來越依賴可靠的電力，ULIS 旨在在不犧牲可靠性的情況下提高效率。
ULIS 可以在哪些方面發揮最大作用
ULIS 預計將在許多領域產生廣泛的影響。
在美國電網中，電力在到達消費者之前必須轉換成可用的形式。這個過程通常依賴於浪費能量的大型低頻設備。 ULIS 快速切換提高效率。而從長遠來看，其承受高溫的能力可能會降低維護成本。
在航空領域，該模塊能夠以節能的方式快速傳輸電力，從而使轉換器變得更輕、更高效。這有助於使電動垂直起降（eVTOL）飛機更加實用和商業可行。
ULIS 還可以在未來的聚變能源系統中發揮作用。儘管商業聚變仍在開發中，但這些系統將需要緊湊且可靠的脈衝功率組件。其超低電感和堅固的設計使其成為應對這一挑戰的理想選擇。
隨著各行業尋求更可靠的電力、先進的人工智能和未來的車輛。 ULIS 現已準備好獲得許可。
