ULIS 简介：重新定义效率、功率密度和低制造成本的电源模块

安德鲁·科塞利

ULIS 可以使用广泛使用的设备进行加工，从而将电源模块的制造成本从数千美元降低到数百美元。 （图片来源：Brooke Buchan，NREL）

在为人工智能和制造业增长提供动力的能源密集型数据中心的推动下，全球能源需求正在激增。世界将如何满足这些不断增长的能源需求？

一个答案是以更低的成本更多地利用我们已经生产的能源。为了实现这一目标，NREL 研究人员创建了一种基于碳化硅的电源模块，这是控制系统之间电流的电力电子设备的物理外壳，具有前所未有的效率、功率密度和低成本可制造性。

这项突破被称为 NREL 的超低电感智能功率模块，绰号为 ULIS。 ULIS 采用碳化硅半导体，能够在更小的封装中实现比前代设计高五倍的能量密度，使制造商能够构建和驱动更高效、更紧凑、更轻的技术。该1200伏、400安培电源模块适用于数据中心、电网、微反应器，甚至下一代飞机和军车等重型车辆。

这是独家技术简介 对 NREL 首席电力电子研究员、首席研究员 Faisal Khan 的采访，为了篇幅和清晰度进行了编辑。

技术简介 ：您在开发 ULIS 过程中遇到的最大技术挑战是什么？

可汗 ：ULIS 使用非正统的制造工艺。电源模块是开关器件；它有一个顶部开关和一个底部开关，我们使用市售模具。因此，我们没有遵循其他电源模块的制造方式，因为其他电源模块都是矩形的，它们具有特定的电流路径，即电流在模块内部流动的方式。我们没有遵循这一点，因为我们的首要目的是减少寄生电感，以便我们可以更快地切换。我们需要一种磁通抵消技术，这意味着电流引起的磁通。我们需要取消它，以便模块内部的有效电感很低——或者即使它不低，但当你施加电流时，它的表现就像很低。

这就是为什么我们必须以非常规、非正统的方式设计 ULIS，但这并不容易。我想说，它需要非常精细的加工。这对我们来说是最大的挑战。

技术简介 ：您能简单解释一下 ULIS 的工作原理吗？

可汗 ：ULIS具有三大创新。第一个是超低电感，意味着它有一定数量的器件并联和串联——所以顶部并联四个器件，底部四个器件并联，这两组串联。每个设备的额定电流为 100 安培，因此四个并联的组的额定电流为 400 安培，每组的额定电压为 1.2 kV。它的工作原理是，如果您向顶部组施加门信号，顶部开关就会激活；如果向底部组施加门信号，底部开关就会激活。

我们将顶部的芯片连接到底部的芯片，使得寄生电感的影响相互抵消，并且总体有效寄生电感极低。对于最好的商用 400 安培、1.2 kv 模块，寄生电感约为 6 纳亨，而对于 ULIS，它接近 500-600 皮亨 — 减少了 10 到 11 倍。

它的工作原理很难解释，但总体概念是功率模块内部的磁通消除。这是一项正在申请专利的技术，我们正在努力寻找有兴趣将其商业化的供应商。

第二个创新是我们的绝缘层。每个电源模块都需要这样做，因为顶部的芯片必须与底部绝缘。市售模块使用陶瓷，具有电绝缘性和导热性。这些是我们需要的属性。陶瓷的最大缺点是价格昂贵。它的加工也非常困难——需要非常特殊的加工来切割它。我们的目的是设计一种可以快速原型制作的制造工艺。因此，我们使用Temprion代替陶瓷，它是一种可以切割的聚酰胺薄膜。它提供必要的电绝缘性，同时具有导热性。虽然它不如陶瓷，但该层很薄，因此导热性不会受到影响。因此快速原型设计是可能的。

第三，ULIS 可以无线控制。当系统有很多电源模块时，由于电线太多，很难控制每个电源模块。所以，在一个复杂的系统中，有这么多的模块，如果你能无线控制它们并无线监控它们，那就是一个很大的优势。

技术简介 ：您说 ULIS 正在申请专利，并且您正在寻求将其商业化。我的问题是：你从这里去哪里？您的下一步计划是什么？

可汗 ： 是的。 ULIS经历了多次迭代。我们一开始的电感为 700 皮亨，现在不到 600 皮亨。现在我们正在尝试围绕 ULIS 建立一条电路。因此，它可能是一个大型逆变器、一个大型电池充电器或一个 AC-DC 转换器。

去年，ULIS参加了R&D 100竞赛，我们成为了决赛入围者之一——我们成为了前158个项目之一。但是，要获得 R&D 100 奖，您需要进入前 100 名。不幸的是，我们无法进入前 100 名。

今年，我们将再次尝试，因为它是一个完整的套餐。要获得 R&D 100 的资格，关键之一是获得许可技术。因此，如果我们能够获得这项技术的许可，如果我们能够证明一家公司已经获得了该 ULIS 电源模块的许可，那么我们对于该奖项的竞争将非常有竞争力。因此，我们将围绕 ULIS 构建一个系统，并展示围绕该系统构建的系统与商用解决方案相比，其体积和重量都非常紧凑。

文字记录

00:00:01 我们如何使车辆、工业机械、能源存储和飞机更加高效、紧凑、安全且经济实惠？我们打造更好的电源模块。    电源模块是高压现代电子产品的重要组成部分，可将能量从来源转换到目的地，就像汽车电池到电机一样。但现代电源模块受到尺寸和寄生电感的限制：寄生电感是模块转换电力时浪费的能量的衡量标准。  现在，NREL 的新型 ULIS 电源模块可以为车辆和其他高压电子设备供电，其尺寸、成本和寄生电感仅为竞争对手的一小部分。   但这并不是 ULIS 在竞争中脱颖而出的唯一方式。 它的组装也更简单、更快、更高效。 ULIS 是模块化的，能够适应广泛的技术和设计，并且能够

00:00:59 实时无线监控机器的运行状况，以在故障发生之前进行预测。     凭借其无与伦比的功率密度，ULIS 可以解锁令人兴奋的新技术，例如便携式超高速电动汽车充电器、支持微电网和数据中心的微型聚变反应堆，甚至是先进的空中交通。 ULIS 的电源组设计可以帮助构建更安全、更智能、更高效、更实惠的现代电子产品未来。   花更少的钱获得更多的力量。