ULIS – это больше, чем новый силовой модуль; это строительный блок для будущего.
Переход к «зеленой» энергетике зависит не только от экологически чистого производства, но и от эффективных, компактных и надежных систем преобразования энергии. Каждый этап, будь то преобразование постоянного тока от фотоэлектрических панелей, управление электродвигателями или обеспечение энергоемких центров обработки данных с искусственным интеллектом, зависит от силовых модулей, которые могут быстро переключаться, выдерживать высокие напряжения, выдерживать тепловые нагрузки и минимизировать потери.
Традиционные кремниевые устройства десятилетиями доминировали в силовой электронике, однако теперь они достигают физических пределов и пределов производительности. Разработка полупроводников с широкой запрещенной зоной, таких как карбид кремния и нитрид галлия, стала важным шагом вперед в улучшении как электрических, так и тепловых характеристик. Однако упаковка и конструкция модулей часто накладывают ограничения, которые не позволяют в полной мере использовать преимущества полупроводников с широкой запрещенной зоной. Паразитные индуктивности в обычных компоновках модулей приводят к скачкам напряжения, колебаниям и повышенным потерям при переключении, в то время как традиционные конструкции корпусов на основе керамики увеличивают стоимость и объем, ограничивая тепловые характеристики.
Для решения этих задач исследователи из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (НЛВИЭ) представили смарт-модуль Smart SiC со сверхнизкой индуктивностью (ULIS) – рекордную конструкцию, сочетающую в себе высокую производительность, компактность и доступность по цене. Этот прорыв приближает силовую электронику к мечте о преобразовании «без потерь», что может оказать влияние практически на все отрасли энергетики.
Касательно НЛВИЭ
НЛВИЭ, расположенная в Голдене, штат Колорадо, является основной лабораторией Министерства энергетики США по исследованиям в области возобновляемых источников энергии и энергоэффективности. Ее миссия заключается в продвижении технологий получения чистой энергии (от солнечной, ветровой и водородной до систем хранения энергии, мобильности и интеграции с сетями) и ускорении их перехода от лабораторных разработок к использованию в реальных условиях. Благодаря фундаментальной науке и прочным отраслевым партнерствам НЛВИЭ поддерживает переход страны к более экологически чистой, жизнестойкой и низкоуглеродной энергетике будущего.
Задача: эффективность, объем и стоимость в силовой электронике
Современные энергетические системы приближаются к пределам возможностей традиционной силовой электроники на основе кремния. Каждый этап преобразования мощности приводит к потерям, которые увеличиваются при повышении частоты переключения, увеличении тока и появлении паразитных элементов, таких как паразитная индуктивность и емкость.
Чтобы уменьшить габариты и вес, что имеет решающее значение для мобильности и аэрокосмической промышленности, при одновременном повышении удельной мощности и снижении затрат, исследователи обратились к полупроводникам с широкой запрещенной зоной. Например, устройства из SiC уже улучшили характеристики электромобилей и быстродействующих зарядных устройств, увеличив дальность движения и сократив время зарядки. Однако объединение этих устройств в модули, которые сохраняют свои преимущества и при этом остаются экономичными, не является тривиальной задачей.
Что делает ULIS особенным
Модуль ULIS от НЛВИЭ отличается несколькими ключевыми инновациями. Он обладает самой низкой в отрасли паразитной индуктивностью – в 7-9 раз ниже, чем у промышленных SiC-модулей, – что обеспечивает более быструю и чистую коммутацию при меньших скачках напряжения, колебаниях и потерях энергии. В то же время ULIS обеспечивает пятикратное увеличение плотности энергии, равномерно распределяя ток, чтобы избежать перегрева и дисбаланса напряжения. В результате модуль стал меньше, легче и надежнее.
Столь же новаторским является подход к упаковке: вместо громоздкого, вертикально уложенного «кирпича» ULIS использует плоскую восьмиугольную конструкцию, соединяя слои меди с гибким полимерным диэлектриком Temprion от DuPont, а не с жесткой керамикой (см. рис. 1). Такая сглаженная геометрия уменьшает толщину, улучшает теплопередачу, повышает модульность и снижает затраты на изготовление.
Помимо эффективности и компактности, модуль интегрирует интеллектуальные функции, такие как мониторинг состояния в режиме реального времени и прогнозирование отказов, обеспечивая надежную работу в критически важных средах, таких как аэрокосмическая и оборонная промышленность. Важно отметить, что архитектура ULIS не зависит от материалов: продемонстрированная на примере SiC, она также может быть адаптирована к другим материалам с широкой запрещенной зоной, таким как GaN или оксид галлия (Ga2O3), что повышает ее актуальность для будущих поколений устройств.
Рис. 1: Модуль питания ULIS от НЛВИЭ
Области применения и воздействие
Модуль ULIS, работающий при напряжении 1200 В и 400 А, подходит для широкого спектра применений – от сетевых систем до компактных высокопроизводительных устройств. При преобразовании сетей и микросетей его коммутация с низкими потерями обеспечивает передачу большего количества генерируемой энергии в нагрузку, а не рассеивание ее в виде тепла. Центры обработки данных и мощные вычислительные комплексы, которым необходимо сократить потребление энергии и затраты на охлаждение, выигрывают от его эффективности и компактной формы.
В сфере транспорта компактные размеры, малый вес и высокая производительность ULIS могут обеспечить более легкие и эффективные силовые агрегаты в электрических и гибридных автомобилях, а также вспомогательные системы в авиации и аэрокосмической отрасли. Специализированные области, такие как исследования в области импульсной энергетики и термоядерного синтеза, также могут использовать модуль, поскольку его сверхнизкая индуктивность идеально подходит для сред с высоким содержанием переходных процессов и чувствительных к электромагнитным помехам. Во всех этих областях эффект одинаков: снижение неэффективности на каждом этапе преобразования энергии приводит к снижению затрат на возобновляемые источники энергии, увеличению дальности хода электрифицированного транспорта и повышению эффективности силовой электроники в стесненных условиях.
Технические инновации с точки зрения внутренней структуры
Рекордные характеристики ULIS достигнуты благодаря нескольким конструктивным решениям:
- Практически двумерная компоновка сводит к минимуму паразитные контуры и использует технологию подавления потока, при которой противоположные пути прохождения тока расположены в непосредственной близости, что позволяет нейтрализовать их магнитные поля. Это значительно снижает паразитную индуктивность и возникающие в результате этого перегрузки, помехи и электромагнитные помехи, которые присущи обычным схемам подключения.
- Использование гибкого полимерного диэлектрика Temprion вместо керамических подложек позволяет использовать более тонкие модули с пониженным тепловым сопротивлением, лучшей теплопередачей, более простым соединением с медью и меньшими затратами на материалы – все это совместимо со стандартным производственным оборудованием.
- ULIS также интегрирует интеллектуальные функции, такие как мониторинг работоспособности в режиме реального времени, прогнозный анализ отказов и возможности беспроводного управления. Они упрощают прокладку кабелей и поддерживают модульное развертывание, повышая надежность. Не менее важно и то, что конструкция является экономичной: в то время как современные высококачественные модули на базе SiC могут стоить тысячи долларов, ULIS могут выпускаться по цене в сотни долларов, что является решающим фактором для внедрения на коммерческом и промышленном рынках.
Проблемы, путь к внедрению и перспективы
Несмотря на свои обещания, ULIS по-прежнему сталкивается с препятствиями на пути к внедрению в промышленное производство. Долгосрочные испытания на надежность в жестких условиях эксплуатации – при термоциклировании, вибрации, радиации и воздействии окружающей среды – будут необходимы для подтверждения его использования в аэрокосмических, электросетевых и промышленных системах. Интеграция в существующую инфраструктуру также может замедлиться из-за проблем совместимости и необходимости стандартизации в масштабах всей отрасли.
Переход от лабораторных прототипов к массовому производству сопряжен с дополнительными рисками, включая выход продукции, контроль качества и управление затратами. Между тем, развитие альтернативных технологий широкой запрещенной зоной, таких как GaN и Ga2O3, станет испытанием на способность ULIS адаптироваться к меняющимся условиям производства полупроводников.
Несмотря на эти неопределенности, значимость этого прорыва очевидна. Снижая потери при преобразовании и повышая эффективность, ULIS приближает силовую электронику к долгожданной цели – работе практически без потерь. В контексте снижения углеродного среда каждый процент повышения эффективности приводит к ощутимой экономии: меньше тратится электроэнергии, снижается потребность в охлаждении и уменьшается потребность в крупногабаритных системах.
Дальнейший путь
Переход к электрифицированному обществу, охватывающий инновации от центров обработки данных с искусственным интеллектом до электрических самолетов, в значительной степени зависит от силовой электроники. Модуль ULIS от НЛВИЭ расширяет границы возможного, сочетая сверхнизкую индуктивность с высокой плотностью энергии, интеллектуальными функциями и масштабируемой технологичностью.
НЛВИЭ – это больше, чем новый силовой модуль; это строительный блок для будущего. Ускоряя, уменьшая размеры и повышая эффективность преобразования энергии, ULIS может помочь модернизировать энергосистему США за счет снижения потерь и затрат на техническое обслуживание, создать легкие энергосистемы для новых электрических самолетов, таких как электрические самолеты вертикального взлета и посадки, и обеспечить компактные устройства импульсной мощности, необходимые для термоядерных электростанций завтрашнего дня.
ULIS – от более стабильного электроснабжения до усовершенствованной мобильности и высокопроизводительных вычислений – призван ускорить развитие технологий, требующих как эффективности, так и отказоустойчивости.
