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

Andrew Corselli L'ULIS peut être usiné à l'aide d'équipements largement disponibles, réduisant ainsi les coûts de fabrication du module d'alimentation de plusieurs milliers à plusieurs centaines de dollars. (Image :Brooke Buchan, NREL)

La demande mondiale d’énergie augmente, poussée par les centres de données énergivores qui alimentent l’intelligence artificielle et l’augmentation de la fabrication. Comment le monde va-t-il répondre à ces besoins énergétiques croissants ?

Une solution consiste à utiliser davantage l’énergie que nous produisons déjà et à moindre coût. Dans la poursuite de cet objectif, les 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.

Cette percée, appelée module d’alimentation 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 énergétique cinq fois supérieure à celle des modèles précédents dans un boîtier plus petit, permettant aux fabricants de construire et d'alimenter des technologies plus efficaces, plus compactes et plus légères. Le module d'alimentation de 1 200 volts et 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 et les véhicules militaires de nouvelle génération.

Voici un Tech Briefs exclusif entretien, édité pour plus de longueur et de clarté, avec le chercheur principal Faisal Khan, chercheur en chef en électronique de puissance du NREL.

Notes techniques :Quel a été le plus grand défi technique auquel vous avez été confronté lors du développement d'ULIS ?

Khan :ULIS utilise un processus de fabrication non orthodoxe. Un module d'alimentation est un appareil de commutation ; il est doté d'un interrupteur supérieur et d'un interrupteur inférieur, et nous utilisons des matrices disponibles dans le commerce. Nous n'avons donc 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 première intention était de réduire l'inductance parasite afin de pouvoir commuter plus rapidement. Et il nous fallait une technique d’annulation du flux, c’est-à-dire 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 ne l'est pas, mais lorsque vous appliquez du courant, elle agit comme si elle était faible.

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

Notes techniques :Pouvez-vous s'il vous plaît expliquer en termes simples comment fonctionne ULIS ?

Khan :ULIS compte trois innovations majeures. Le premier est à inductance ultra-faible, ce qui signifie qu'il comporte un certain nombre d'appareils connectés en parallèle et en série. Ainsi, quatre appareils sont connectés en parallèle en haut, quatre appareils sont connectés en parallèle en bas et ces deux groupes sont connectés en série. Chaque appareil 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 la suivante :si vous appliquez un signal de porte au groupe supérieur, le commutateur supérieur s'active ; si vous appliquez un signal de porte au groupe inférieur, l'interrupteur inférieur s'active.

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

Son fonctionnement est très difficile à expliquer, mais le concept global est l'annulation du flux à l'intérieur du module de puissance. Il s'agit d'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 isolante. Chaque module d'alimentation en a besoin car les matrices du haut doivent être isolées du bas. Les modules disponibles dans le commerce utilisent de la céramique, qui fournit une isolation électrique et est thermiquement conductrice. Ce sont des propriétés dont nous avons besoin. Le plus gros inconvénient de la céramique est qu'elle est chère. Elle est également très difficile à travailler :il faut un usinage très spécial pour la couper. Notre intention était de concevoir un processus de fabrication permettant un prototypage rapide. Ainsi, à la place de la céramique, nous utilisons du Temprion, qui est un film polyamide que l'on peut découper. Il fournit l’isolation électrique nécessaire tout en étant conducteur thermique. Bien qu’elle ne soit pas aussi bonne que la céramique, la couche est si fine qu’il n’y a aucun compromis sur la conductivité thermique. Un prototypage rapide est donc possible.

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

Notes techniques :Vous avez dit qu'ULIS était en attente de brevet et que vous cherchiez à le commercialiser. Ma question est :où allez-vous à partir d’ici ? Quelles sont vos prochaines étapes ?

Khan :Oui. ULIS a connu plusieurs itérations. Celui avec lequel nous avons commencé avait une inductance de 700 picohenrys, et maintenant elle est inférieure à 600 picohenrys. Nous essayons maintenant de construire un circuit autour de l'ULIS. Il peut donc s'agir d'un gros onduleur, d'un gros chargeur de batterie ou d'un convertisseur AC-DC.

L'année dernière, ULIS a participé au concours R&D 100 et nous sommes devenus l'un des finalistes - nous sommes devenus l'un des 158 meilleurs projets. Mais pour être éligible au R&D 100 Award, vous devez être dans le top 100. Malheureusement, nous n'avons pas pu entrer dans le top 100.

Cette année, nous essayons de repartir car c'est un package complet. Pour être éligible à R&D 100, l’un des éléments clés est une technologie sous licence. Donc, si nous pouvons obtenir une licence pour cette technologie, si nous pouvons montrer qu'une entreprise a obtenu une licence pour ce module d'alimentation ULIS, cela nous rendrait très compétitifs pour ce prix. Nous allons donc construire un système autour d'ULIS et montrer que quelque chose construit autour de lui est très compact en volume et en poids par rapport aux solutions disponibles dans le commerce.

Transcription

00:00:01 Comment rendre les véhicules, les machines industrielles, le stockage d'énergie et les avions plus efficaces, compacts, sûrs et abordables ? Nous construisons un meilleur module d'alimentation.    Les modules d'alimentation sont des éléments essentiels de l'électronique moderne haute tension 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 lorsque les modules convertissent l'électricité.  Désormais, le nouveau module d'alimentation ULIS de NREL peut alimenter des véhicules et d'autres appareils électroniques 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 pour ULIS de surpasser la concurrence. C'est également plus simple, plus rapide à assembler et plus efficace. ULIS est modulaire,   adaptable pour servir un large éventail de  technologies et de conceptions, et capable de  

00:00:59 surveille sans fil l'état d'une machine en temps réel pour prédire les pannes avant qu'elles ne surviennent.     Grâce à sa densité de puissance inégalée, ULIS  peut débloquer de nouvelles technologies passionnantes telles que   les chargeurs portables ultra-rapides pour véhicules électriques, les réacteurs à fusion miniatures pour prendre en charge les micro-réseaux et les centres de données,   et même la mobilité aérienne avancée. La conception du bloc d'alimentation d'ULIS peut aider à construire un avenir plus sûr, plus intelligent, plus efficace et plus abordable pour l'électronique moderne.   C'est plus de puissance pour moins.