Apresentando ULIS:um módulo de potência que redefine eficiência, densidade de potência e baixos custos de fabricação

André Corselli
O ULIS pode ser usinado usando equipamentos amplamente disponíveis, reduzindo os custos de fabricação do módulo de potência de milhares para centenas de dólares. (Imagem:Brooke Buchan, NREL)
A procura global de energia está a aumentar, impulsionada por centros de dados com utilização intensiva de energia, que alimentam a inteligência artificial e o aumento da produção. Como irá o mundo satisfazer estas crescentes necessidades energéticas?

Uma resposta é aproveitar melhor a energia que já produzimos e a um custo menor. Na busca desse objetivo, os pesquisadores do NREL criaram um módulo de potência baseado em carboneto de silício – um invólucro físico para a eletrônica de potência que controla o fluxo de eletricidade entre sistemas – com eficiência, densidade de potência e fabricação de baixo custo nunca antes vistas.

A inovação, chamada de módulo de potência inteligente de indutância ultrabaixa do NREL, é apelidada de ULIS. Alimentado por semicondutores de carboneto de silício, o ULIS é capaz de atingir uma densidade de energia cinco vezes maior do que os designs anteriores em um pacote menor, possibilitando aos fabricantes construir e alimentar tecnologias mais eficientes, compactas e mais leves. O módulo de potência de 1.200 volts e 400 A é adequado para uso em data centers, redes de energia, microrreatores e até mesmo veículos pesados, como aeronaves e veículos militares de última geração.

Aqui está um resumo técnico exclusivo entrevista, editada para maior extensão e clareza, com o investigador principal Faisal Khan, pesquisador-chefe de eletrônica de potência do NREL.

Resumos técnicos :Qual foi o maior desafio técnico que você enfrentou durante o desenvolvimento do ULIS?

Khan :ULIS usa um processo de fabricação não ortodoxo. Um módulo de potência é um dispositivo de comutação; ele tem um interruptor superior e um interruptor inferior, e usamos matrizes disponíveis comercialmente. Então, não seguimos a forma como os outros módulos de potência são fabricados porque os outros módulos de potência são retangulares, eles possuem roteamento de corrente específico, a forma como a corrente flui no interior do módulo. Não seguimos isso porque nossa primeira intenção era reduzir a indutância parasita para que pudéssemos mudar mais rápido. E precisávamos de uma técnica de cancelamento de fluxo, o que significa fluxo induzido pela corrente. Precisávamos cancelá-lo para que a indutância efetiva dentro do módulo fosse baixa - ou mesmo que não fosse baixa, mas quando você aplica corrente, ela age como se estivesse baixa.

É por isso que tivemos que projetar o ULIS de uma forma não convencional, não ortodoxa, mas não foi fácil. Precisava de uma usinagem muito, eu diria, delicada. Esse foi o maior desafio para nós.



Resumos técnicos :Você pode explicar em termos simples como funciona o ULIS?

Khan :ULIS tem três grandes inovações. O primeiro é de indutância ultrabaixa, o que significa que possui um certo número de dispositivos conectados em paralelo e em série – portanto, quatro dispositivos são conectados em paralelo na parte superior, quatro dispositivos são conectados em paralelo na parte inferior e esses dois grupos são conectados em série. Cada dispositivo é avaliado em 100 amperes, então o grupo de quatro em paralelo é avaliado em 400 amperes e cada grupo é avaliado em 1,2 quilovolts. A forma como funciona é:se você aplicar um sinal de portão ao grupo superior, a chave superior será ativada; se você aplicar um sinal de gate ao grupo inferior, a chave inferior será ativada.

Conectamos as matrizes na parte superior às matrizes na parte inferior, de modo que os efeitos das indutâncias parasitas se cancelem e a indutância parasita efetiva geral seja extremamente baixa. Para o melhor módulo de 400 A e 1,2 kv disponível comercialmente, a indutância parasita é de cerca de seis nanohenries, enquanto para o ULIS é próxima de 500-600 picohenries – uma redução de 10 a 11 vezes.

É muito difícil explicar como funciona, mas o conceito geral é o cancelamento de fluxo dentro do módulo de potência. Esta é uma técnica com patente pendente e estamos tentando encontrar um fornecedor que esteja interessado em comercializá-la.

A segunda inovação é a nossa camada de isolamento. Todo módulo de potência precisa disso porque as matrizes na parte superior precisam ser isoladas da parte inferior. Os módulos disponíveis comercialmente utilizam cerâmica, que fornece isolamento elétrico e é termicamente condutora. Essas são as propriedades que precisamos. A maior desvantagem da cerâmica é que ela é cara. Também é muito difícil de trabalhar - é necessária uma usinagem muito especial para cortá-la. Nossa intenção era projetar um processo de fabricação onde a prototipagem rápida fosse possível. Então, em vez de cerâmica, usamos o Temprion, que é um filme de poliamida que você pode cortar. Fornece o isolamento elétrico necessário e ao mesmo tempo é termicamente condutor. Embora não seja tão boa quanto a cerâmica, a camada é tão fina que não compromete a condutividade térmica. Portanto, a prototipagem rápida é possível.

Número três, o ULIS pode ser controlado sem fio. Quando um sistema possui muitos módulos de potência, é muito difícil controlar cada um deles porque haverá muitos fios. Então, em um sistema complexo, onde há tantos módulos, se você puder controlá-los e monitorá-los sem fio, isso é uma grande vantagem.

Resumos técnicos :Você disse que o ULIS tem patente pendente e pretende comercializá-lo. Minha pergunta é:para onde você vai a partir daqui? Quais são seus próximos passos?

Khan :Sim. O ULIS passou por várias iterações. Aquele com o qual começamos tinha uma indutância de 700 picohenry e agora é inferior a 600 picohenry. Agora estamos tentando construir um circuito em torno do ULIS. Então, pode ser um grande inversor, um grande carregador de bateria ou um conversor AC-DC.

No ano passado, o ULIS foi para a competição R&D 100 e nos tornamos um dos finalistas – nos tornamos um dos 158 melhores projetos. Mas, para ser elegível para receber o prêmio R&D 100, você precisa estar entre os 100 primeiros. Infelizmente, não conseguimos ficar entre os cem primeiros.

Este ano, estamos tentando fazer isso de novo porque é um pacote completo. Para ser elegível ao R&D 100, uma das coisas principais é uma tecnologia licenciada. Então, se pudermos licenciar esta tecnologia, se pudermos mostrar que uma empresa licenciou este módulo de potência ULIS, isso nos tornaria muito competitivos para este prêmio. Então, vamos construir um sistema em torno do ULIS e mostrar que algo construído em torno dele é muito compacto em volume e peso em comparação com as soluções disponíveis comercialmente.

Transcrição

00:00:01 Como podemos tornar veículos, máquinas industriais,  armazenamento de energia e aeronaves mais eficientes,   compactos, seguros e acessíveis? Construímos um módulo de potência melhor.    Os módulos de energia são partes essenciais dos eletrônicos modernos de alta tensão que  convertem energia das fontes aos destinos, como uma bateria de veículo em seu motor. Mas os  módulos de energia modernos são limitados por seu tamanho e indutância parasita:uma medida de energia  desperdiçada quando os módulos convertem eletricidade.  Agora, o novo módulo de energia ULIS do NREL pode alimentar   veículos e outros eletrônicos de alta tensão  por uma fração do tamanho, custo e indutância parasita   de seus concorrentes.   Mas essa não é a única maneira pela qual o ULIS supera   a concorrência. Também é mais simples, rápido de montar e mais eficiente. O ULIS é modular, adaptável para atender a uma ampla gama de tecnologias e designs e capaz de  

00:00:59 monitoramento sem fio da integridade de uma máquina em tempo real para prever falhas antes que elas aconteçam.     Graças à sua densidade de potência incomparável, o ULIS pode desbloquear novas tecnologias interessantes, como carregadores portáteis de veículos elétricos super-rápidos, reatores de fusão em miniatura para dar suporte a microrredes e data centers e até mesmo mobilidade aérea avançada. O design do pacote de energia do ULIS pode ajudar a construir um futuro mais seguro, mais inteligente,  mais eficiente e mais acessível da eletrônica moderna.   É mais potência por menos.