Présentation d'ULIS : un module de puissance redéfinissant l'efficacité, la densité de puissance et les faibles coûts de fabrication

Andrew Corselli

ULIS peut être usiné en utilisant des équipements largement disponibles, réduisant les coûts de fabrication du module de puissance de milliers à centaines de dollars. (Image : Brooke Buchan, NREL)

Les demandes mondiales d'énergie augmentent, poussées par les centres de données énergivores alimentant l'intelligence artificielle et la fabrication accrue. Comment le monde répondra-t-il à ces besoins énergétiques croissants ?

Une réponse est de tirer plus d'utilité de l'énergie que nous produisons déjà et à un coût inférieur. Dans la poursuite de cet objectif, des chercheurs du NREL ont créé un module de puissance à base de carbure de silicium — un boîtier physique pour l'électronique de puissance qui contrôle le flux d'électricité entre les systèmes — avec une efficacité, une densité de puissance et une fabricabilité à faible coût jamais vues auparavant.

La percée, appelée module de puissance intelligent à ultra-faible inductance de NREL, est surnommée ULIS. Alimenté par des semi-conducteurs en carbure de silicium, ULIS est capable d'atteindre une densité d'énergie cinq fois supérieure à celle des conceptions prédécesseurs dans un boîtier plus petit, permettant aux fabricants de construire et d'alimenter des technologies plus efficaces, compactes et légères. Le module de puissance 1 200 volts, 400 ampères convient à une utilisation dans les centres de données, les réseaux électriques, les microréacteurs, et même les véhicules lourds tels que les avions de nouvelle génération et les véhicules militaires.

Voici une interview exclusive de Tech Briefs, éditée pour la longueur et la clarté, avec l'investigateur principal Faisal Khan, chercheur principal en électronique de puissance du NREL.

Tech Briefs : Quel a été le plus grand défi technique que vous avez rencontré lors du développement d'ULIS ?

Khan : ULIS utilise un processus de fabrication non orthodoxe. Un module de puissance est un dispositif de commutation ; il a un interrupteur supérieur et un interrupteur inférieur, et nous utilisons des dies disponibles dans le commerce. Donc, nous n'avons pas suivi la façon dont les autres modules de puissance sont fabriqués car les autres modules de puissance sont rectangulaires, ils ont un routage de courant spécifique, la façon dont le courant circule à l'intérieur du module. Nous n'avons pas suivi cela car notre premier objectif était de réduire l'inductance parasite pour pouvoir commuter plus vite. Et nous avions besoin d'une technique d'annulation de flux, ce qui signifie le flux induit par le courant. Nous devions l'annuler pour que l'inductance effective à l'intérieur du module soit faible — ou même si elle n'est pas faible, mais quand vous appliquez du courant, elle agit comme si elle était faible.

C'est pourquoi nous avons dû concevoir ULIS d'une manière qui était non conventionnelle, non orthodoxe, mais ce n'était pas facile. Cela nécessitait un usinage très, je dirais, délicat. C'était le plus grand défi pour nous.

Tech Briefs : Pouvez-vous expliquer en termes simples comment fonctionne ULIS ?

Khan : ULIS a trois innovations majeures. La première est l'inductance ultra-faible, ce qui signifie qu'il a un certain nombre de dispositifs connectés en parallèle et en série — donc quatre dispositifs sont connectés en parallèle en haut, quatre dispositifs sont connectés en parallèle en bas et ces deux groupes sont connectés en série. Chaque dispositif est évalué à 100 ampères, donc le groupe de quatre en parallèle est évalué à 400 ampères et chaque groupe est évalué à 1,2 kilovolts. La façon dont cela fonctionne est, si vous appliquez un signal de grille au groupe du haut, l'interrupteur du haut s'active ; si vous appliquez un signal de grille au groupe du bas, l'interrupteur du bas s'active.

Nous avons connecté les dies du haut aux dies du bas de telle sorte que les effets des inductances parasites s'annulent et l'inductance parasite effective globale est extrêmement faible. Pour le meilleur module commercialement disponible de 400 ampères, 1,2 kV, l'inductance parasite est d'environ six nanohenries, tandis que pour ULIS, elle est proche de 500-600 picohenries — une réduction de 10 à 11 fois.

Comment cela fonctionne est très difficile à expliquer, mais le concept global est l'annulation de flux à l'intérieur du module de puissance. C'est une technique en instance de brevet, et nous essayons de trouver un fournisseur qui serait intéressé à la commercialiser.

La deuxième innovation est notre couche d'isolation. Chaque module de puissance en a besoin car les dies du haut doivent être isolés du bas. Les modules commercialement disponibles utilisent de la céramique, qui fournit une isolation électrique et est thermiquement conductive. Ce sont des propriétés dont nous avons besoin. Le plus grand inconvénient de la céramique est qu'elle est chère. Elle est aussi très difficile à travailler — vous avez besoin d'un usinage très spécial pour la couper. Notre intention était de concevoir un processus de fabrication où le prototypage rapide est possible. Donc, au lieu de la céramique, nous utilisons Temprion, qui est un film de polyamide que vous pouvez couper. Il fournit l'isolation électrique nécessaire, et en même temps il est thermiquement conductive. Bien qu'il ne soit pas aussi bon que la céramique, la couche est si mince qu'il n'y a pas de compromis sur la conductivité thermique. Donc le prototypage rapide est possible.

Numéro trois, ULIS peut être contrôlé sans fil. Quand un système a beaucoup de modules de puissance, il est très difficile de contrôler chacun d'eux car il y aura tellement de fils. Donc, dans un système complexe, où il y a tant de modules, si vous pouvez les contrôler sans fil et les surveiller sans fil, c'est un grand avantage.

Tech Briefs : Vous avez dit qu'ULIS est en instance de brevet et que vous cherchez à le commercialiser. Ma question est : où allez-vous à partir d'ici ? Quelles sont vos prochaines étapes ?

Khan : Oui. ULIS a traversé plusieurs itérations. Celle avec laquelle nous avons commencé avait une inductance de 700 picohenries, et maintenant elle est inférieure à 600 picohenries. Maintenant, nous essayons de construire un circuit autour d'ULIS. Donc, cela pourrait être un grand onduleur, un grand chargeur de batterie, ou un convertisseur AC-DC.

L'année dernière, ULIS est allé à la compétition R&D 100, et nous sommes devenus l'un des finalistes — nous sommes devenus l'un des 158 meilleurs projets. Mais, pour être éligible pour obtenir le prix R&D 100, vous devez être dans le top 100. Malheureusement, nous n'avons pas pu entrer dans le top cent.

Cette année, nous essayons d'y aller à nouveau car c'est un paquet complet. Pour être éligible avec R&D 100, l'une des choses clés est une technologie sous licence. Donc si nous pouvons licencier cette technologie, si nous pouvons montrer qu'une entreprise a licencié ce module de puissance ULIS, cela nous rendrait très compétitifs pour ce prix. Donc, nous allons construire un système autour d'ULIS et montrer que quelque chose construit autour est très compact en volume et en poids par rapport aux solutions commercialement disponibles.

Transcription

00:00:01 Comment rendre les véhicules, machines industrielles, stockage d'énergie et avions plus efficaces, compacts, sûrs et abordables ? Nous construisons un meilleur module de puissance. Les modules de puissance sont des parties essentielles de l'électronique haute tension moderne qui convertissent l'énergie des sources vers les destinations, comme une batterie de véhicule vers son moteur. Mais les modules de puissance modernes sont limités par leur taille et leur inductance parasite : une mesure de l'énergie gaspillée quand les modules convertissent l'électricité. Maintenant, le nouveau module de puissance ULIS de NREL peut alimenter les véhicules et l'électronique haute tension à une fraction de la taille, du coût et de l'inductance parasite de ses concurrents. Mais ce n'est pas la seule façon dont ULIS surpasse la concurrence. Il est aussi plus simple, plus rapide à assembler et plus efficace. ULIS est modulaire, adaptable pour servir une large gamme de technologies et de designs, et capable de

00:00:59 surveiller sans fil la santé d'une machine en temps réel pour prédire les pannes avant qu'elles n'arrivent. Grâce à sa densité de puissance inégalée, ULIS peut débloquer des technologies excitantes comme des chargeurs EV portables super rapides, des réacteurs à fusion miniatures pour soutenir les micro-réseaux et les centres de données, et même la mobilité aérienne avancée. La conception du pack de puissance d'ULIS peut aider à construire un avenir plus sûr, plus intelligent, plus efficace et plus abordable de l'électronique moderne. C'est plus de puissance pour moins.