ULIS の紹介: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

アンドリュー・コルセリ

ULIS は広く入手可能な装置を使用して機械加工できるため、パワー モジュールの製造コストが数千ドルから数百ドル削減されます。 (画像:ブルック・バカン、NREL)

人工知能を強化するエネルギー集約型のデータセンターや製造業の増加により、世界のエネルギー需要が急増しています。世界はこれらの増大するエネルギー需要にどのように対応するのでしょうか?

答えの 1 つは、すでに生産されているエネルギーをより低コストでより多く利用することです。この目標を追求するために、NREL の研究者は、これまでにない効率、電力密度、低コストの製造可能性を備えた、炭化ケイ素ベースのパワー モジュール（システム間の電気の流れを制御するパワー エレクトロニクスの物理的ハウジング）を作成しました。

NREL の超低インダクタンス スマート パワー モジュールと呼ばれる画期的な製品は、ULIS という愛称が付けられています。炭化ケイ素半導体を搭載した ULIS は、より小型のパッケージで従来の設計に比べて 5 倍のエネルギー密度を達成できるため、メーカーはより効率的でコンパクトで軽量な技術を構築し、電力を供給することが可能になります。 1200 ボルト、400 アンペアの電源モジュールは、データ センター、電力網、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大型車両での使用に適しています。

こちらは独占的な 技術ブリーフ です。 NREL の主任パワー エレクトロニクス研究員である主任研究員、ファイサル カーンへのインタビュー。

技術概要 :ULIS の開発中に直面した最大の技術的課題は何ですか?

カーン :ULIS は非正統的な製造プロセスを使用します。パワーモジュールはスイッチングデバイスです。上部スイッチと下部スイッチがあり、市販のダイスを使用します。したがって、他のパワーモジュールは長方形であり、特定の電流ルーティング、つまりモジュール内部に電流が流れる方法があるため、他のパワーモジュールの製造方法には従いませんでした。私たちの最初の目的は、より速くスイッチングできるように寄生インダクタンスを減らすことであったため、これには従いませんでした。そして、電流によって誘導される磁束を意味する磁束キャンセル技術も必要でした。モジュール内部の実効インダクタンスが低くなるように、または低くなくても、電流を流すと低いように動作するように、それをキャンセルする必要がありました。

だからこそ、私たちは型破りで非正統的な方法で ULIS を設計する必要がありましたが、それは簡単ではありませんでした。非常に繊細な加工が必要だったと言えます。それが私たちにとって最大の課題でした。

技術概要 :ULIS がどのように機能するかを簡単に説明していただけますか?

カーン :ULIS には 3 つの大きな革新があります。 1 つ目は超低インダクタンスです。つまり、一定数のデバイスが並列および直列に接続されています。つまり、上部で 4 つのデバイスが並列接続され、下部で 4 つのデバイスが並列に接続され、これら 2 つのグループが直列に接続されています。各デバイスの定格は 100 アンペアであるため、並列接続された 4 台のグループの定格は 400 アンペア、各グループの定格は 1.2 キロボルトになります。その仕組みは、トップグループにゲート信号を加えると、トップスイッチがアクティブになります。一番下のグループにゲート信号を加えると、一番下のスイッチが作動します。

寄生インダクタンスの影響が互いに打ち消し合い、全体の実効寄生インダクタンスが極めて低くなるように、上部のダイを下部のダイに接続しました。市販されている最高の 400 アンペア、1.2 kv モジュールの場合、寄生インダクタンスは約 6 ナノヘンリーですが、ULIS の場合、寄生インダクタンスは 500 ～ 600 ピコヘンリーに近く、10 ～ 11 分の 1 に減少します。

どのように動作するかを説明するのは非常に難しいですが、全体的なコンセプトはパワーモジュール内の磁束キャンセルです。これは特許出願中の技術であり、私たちは商品化に興味を持ってくれるベンダーを探しています。

2 番目の革新は断熱層です。上部のダイを下部から絶縁する必要があるため、すべての電源モジュールにはこれが必要です。市販のモジュールには、電気絶縁性と熱伝導性を備えたセラミックが使用されています。これらは私たちに必要なプロパティです。セラミックの最大の欠点は、高価であることです。また、加工が非常に難しく、切断するには非常に特殊な機械加工が必要です。私たちの目的は、迅速なプロトタイピングが可能な製造プロセスを設計することでした。そこで、セラミックスの代わりに、カットできるポリアミドフィルムであるテンプリオンを使用します。必要な電気絶縁性を提供すると同時に、熱伝導性も備えます。セラミックほどではありませんが、層が非常に薄いため、熱伝導率は損なわれません。そのため、ラピッドプロトタイピングが可能です。

3 番目に、ULIS はワイヤレスで制御できます。システムに多数の電源モジュールがある場合、配線が非常に多くなるため、それぞれを制御することが非常に困難になります。したがって、非常に多くのモジュールがある複雑なシステムでは、それらをワイヤレスで制御し、ワイヤレスで監視できれば、それは大きな利点となります。

技術概要 :ULIS は特許出願中であり、商品化を検討しているとのことでした。私の質問は「ここからどこへ行くのですか？」です。次のステップは何ですか?

カーン ：はい。 ULIS は複数回の反復を経てきました。私たちが始めたものはインダクタンスが 700 ピコヘンリーでしたが、今では 600 ピコヘンリー未満になっています。現在、ULIS を中心とした回路を構築しようとしています。つまり、それは大型インバーター、大型バッテリー充電器、または AC-DC コンバーターである可能性があります。

昨年、ULIS は R&D 100 コンペティションに参加し、ファイナリストの 1 つとなり、上位 158 プロジェクトの 1 つとなりました。ただし、R&D 100 Award を受賞するには、上位 100 位に入る必要があります。残念ながら、上位 100 位に入ることができませんでした。

今年もフルパッケージなので挑戦してみます。 R&D 100 の資格を得るために重要なことの 1 つは、ライセンスされたテクノロジーです。したがって、この技術のライセンスを取得できれば、企業がこの ULIS パワーモジュールのライセンスを取得していることを証明できれば、この賞を獲得する上で非常に競争力が高まるでしょう。そこで、ULIS を中心にシステムを構築し、それを中心に構築されたものが市販のソリューションと比較して体積と重量が非常にコンパクトであることを紹介します。

トランスクリプト

00:00:01 車両、産業機械、エネルギー貯蔵、航空機をより効率的、コンパクト、安全、そして手頃な価格にするにはどうすればよいでしょうか?私たちはより優れた電源モジュールを構築します。    パワーモジュールは、車両のバッテリーからモーターなど、エネルギーを供給源から目的地に変換する高電圧の現代電子機器の重要な部品です。しかし、最新のパワーモジュールは、そのサイズと、モジュールが電気を変換するときに浪費されるエネルギーの尺度である寄生インダクタンスによって制限されています。  現在、NREL の新しい ULIS 電源モジュールは、競合他社の数分の 1 のサイズ、コスト、寄生インダクタンスで車両やその他の高電圧電子機器に電力を供給できます。   しかし、ULIS が競争に勝つ唯一の方法ではありません。 また、組み立てがより簡単で、迅速かつ効率的です。 ULIS はモジュール式で、幅広いテクノロジーや設計に対応でき、

00:00:59 マシンの状態をワイヤレスでリアルタイムに監視し、障害が発生する前に予測します。     ULIS は、その比類のない電力密度のおかげで、ポータブル超高速 EV 充電器、マイクログリッドやデータセンター、さらには高度なエアモビリティをサポートする小型核融合炉などのエキサイティングな新技術を解き放つことができます。 ULIS のパワーパック設計は、より安全、よりスマート、より効率的、より手頃な価格の現代電子機器の未来を構築するのに役立ちます。   より少ないコストでより多くのパワーを得ることができます。