ULIS登場：効率、電力密度、低製造コストを再定義するパワーモジュール

Andrew Corselli

ULISは広く入手可能な装置で機械加工可能で、パワーモジュールの製造コストを数千ドルから数百ドルに削減。（画像：Brooke Buchan, NREL）

AIを支えるエネルギー集約型データセンターと製造業の増加により、世界的エネルギー需要が急増しています。これらの高まるエネルギーニーズを世界はどう満たすのでしょうか？

一つの答えは、すでに生産しているエネルギーをより多く、より低コストで活用することです。この目標追求で、NREL研究者たちはシリコンカーバイドベースのパワーモジュール — システム間の電力フローを制御するパワーエレクトロニクスの物理的ハウジング — を、前例のない効率、電力密度、低コスト製造可能性で開発しました。

このブレークスルーは、NRELのUltra-Low Inductance Smart power module、通称ULISと呼ばれます。SiC半導体で駆動するULISは、先代設計の5倍のエネルギー密度をより小さなパッケージで実現し、メーカーがより効率的、コンパクト、軽量な技術を構築・駆動可能にします。1200ボルト、400アンペアのパワーモジュールは、データセンター、電力グリッド、マイクロリアクター、さらには次世代航空機や軍用車両などの重量級車両への使用に適しています。

ここでは、主任研究者Faisal Khan氏（NRELチーフパワーエレクトロニクス研究者）への独占Tech Briefsインタビューを長さと明確さのために編集してお届けします。

Tech Briefs: ULIS開発で直面した最大の技術的課題は何でしたか？

Khan: ULISは非正統な製造プロセスを使います。パワーモジュールはスイッチングデバイスで、トップスイッチとボトムスイッチがあり、市販ダイを使用します。他のパワーモジュールの製造方法に従いませんでした。他のモジュールは長方形で、特定の電流経路、内部での電流の流れ方が決まっています。私たちはそれを追いませんでした。最初の意図は寄生インダクタンスを減らしてより高速スイッチングを可能にすることでした。フラックスキャンセレーション技術が必要でした — 電流によって誘導されるフラックスを打ち消し、モジュール内の実効インダクタンスを低くする、あるいは低くなくても電流印加時に低いように振る舞わせるためです。

そのため、ULISを非従来型、非正統な方法で設計する必要がありました。しかしそれは容易ではありませんでした。非常に、と言わばデリケートな機械加工が必要でした。それが私たちにとって最大の課題でした。

Tech Briefs: 簡単にULISの仕組みを説明できますか？

Khan: ULISには3つの主要な革新があります。1つ目は超低インダクタンスです。ある数のデバイスが並列と直列に接続されています — 4デバイスがトップで並列、4デバイスがボトムで並列、この2グループが直列接続。各デバイスは100アンペア定格なので、並列グループは400アンペア定格、各グループは1.2キロボルト定格。ゲート信号をトップグループに印加すればトップスイッチが、ボトムグループに印加すればボトムスイッチが作動します。

トップのダイをボトムのダイに接続する際、寄生インダクタンスの効果が相殺され、全体の実効寄生インダクタンスが極めて低くなります。市販の最高400アンペア、1.2kVモジュールで寄生インダクタンス約6ナノヘンリーに対し、ULISでは500〜600ピコヘンリー — 10〜11倍の削減です。

仕組みを簡単に説明するのは非常に難しいですが、全体概念はパワーモジュール内でのフラックスキャンセレーションです。これは特許出願中の技術で、商業化に関心のあるベンダーを探しています。

2つ目の革新は絶縁層です。すべてのパワーモジュールにはそれが必要です。トップのダイをボトムから電気的に絶縁するためです。市販モジュールはセラミックを使用し、電気絶縁と熱伝導性を提供します。それらは必要な特性です。セラミックの最大の欠点は高価なこと。また加工が非常に困難 — 特殊な機械加工が必要です。我々の意図は、ラピッドプロトタイピング可能な製造プロセスを設計することでした。そこでセラミック代わりにTemprion（ポリアミドフィルム）を使用。カット可能で、必要な電気絶縁性を提供し、同時に熱伝導性もあります。セラミックほど優れていませんが、層が非常に薄いため熱伝導性に妥協はありません。これによりラピッドプロトタイピングが可能になります。

3つ目、ULISはワイヤレス制御可能です。システムに多数のパワーモジュールがあるとき、それぞれを制御するのは配線が多すぎて困難です。複雑なシステムで多数のモジュールがある場合、ワイヤレスで制御・監視できれば大きな利点です。

Tech Briefs: ULISは特許出願中で商業化を目指しているとのこと。今後のステップは？

Khan: はい。ULISは複数のイテレーションを経ました。最初は700ピコヘンリーで、今は600ピコヘンリー未満です。現在、ULISを中心に回路を構築しようとしています。大型インバータ、大型バッテリー充電器、AC-DCコンバータなどです。

昨年、ULISはR&D 100コンペティションに出場し、ファイナリストの1つ — トップ158プロジェクトの1つ — になりました。しかし、R&D 100 Awardを受けるにはトップ100に入る必要があります。残念ながらトップ100には入れませんでした。

今年、再挑戦します。なぜならフルパッケージだからです。R&D 100の資格要件の一つはライセンス技術であること。このULISパワーモジュールを企業がライセンスしたことを示せれば、非常に競争力が高まります。ULISを中心にシステムを構築し、市販ソリューションと比べて体積と重量で非常にコンパクトなものが構築できることを示します。

トランスクリプト

00:00:01 車両、産業機械、エネルギー貯蔵、航空機をどうより効率的、コンパクト、安全、安価にするか？ より良いパワーモジュールを作ることです。パワーモジュールは高電圧現代エレクトロニクスの必須部品で、エネルギーをソースからデスティネーションへ変換します（車両バッテリーからモーターなど）。しかし現代のパワーモジュールはサイズと寄生インダクタンスによって制限されます：モジュールが電気を変換する際に浪費されるエネルギーの尺度です。今、NRELの新しいULISパワーモジュールは、競合の一部のサイズ、コスト、寄生インダクタンスで車両や他の高電圧エレクトロニクスを駆動できます。しかし、ULISが競合を凌駕するのはそれだけではありません。よりシンプルで、組み立てが速く、より効率的です。ULISはモジュラーで、幅広い技術と設計に適応可能で、

00:00:59 機械の健康をワイヤレスでリアルタイム監視し、故障を事前に予測できます。比類なき電力密度により、ULISはポータブル超急速EV充電器、マイクログリッドとデータセンターを支援する微小核融合炉、さらには先進航空モビリティといったエキサイティングな新技術を解き放ちます。ULISのパワーパック設計は、より安全、スマート、効率的、安価な現代エレクトロニクスの未来を築くのに役立ちます。より少ないコストでより多くのパワーを。