Memperkenalkan ULIS:Modul Daya yang Mendefinisikan Ulang Efisiensi, Kepadatan Daya, dan Biaya Produksi Rendah

Andrew Corselli

ULIS dapat dikerjakan menggunakan peralatan yang tersedia secara luas, sehingga mengurangi biaya produksi modul daya dari ribuan hingga ratusan dolar. (Gambar:Brooke Buchan, NREL)

Permintaan energi global melonjak, didorong oleh pusat data intensif energi yang mendukung kecerdasan buatan dan peningkatan manufaktur. Bagaimana dunia memenuhi kebutuhan energi yang meningkat ini?

Salah satu jawabannya adalah memanfaatkan lebih banyak energi yang sudah kita produksi dan dengan biaya lebih rendah. Untuk mencapai tujuan ini, peneliti NREL telah menciptakan modul daya berbasis silikon karbida — wadah fisik untuk elektronika daya yang mengontrol aliran listrik antar sistem — dengan efisiensi, kepadatan daya, dan kemampuan manufaktur berbiaya rendah yang belum pernah ada sebelumnya.

Terobosan tersebut, yang disebut modul daya Cerdas Induktansi Ultra Rendah NREL, dijuluki ULIS. Didukung oleh semikonduktor silikon karbida, ULIS mampu mencapai kepadatan energi lima kali lebih besar dibandingkan desain pendahulunya dalam paket yang lebih kecil, sehingga memungkinkan bagi produsen untuk membangun dan memberi daya pada teknologi yang lebih efisien, kompak, dan lebih ringan. Modul daya 1200 volt dan 400 amp cocok untuk digunakan di pusat data, jaringan listrik, mikroreaktor, dan bahkan kendaraan tugas berat seperti pesawat generasi berikutnya dan kendaraan militer.

Berikut adalah Ringkasan Teknologi eksklusif wawancara, diedit agar panjang dan jelas, dengan Penyelidik Utama Faisal Khan, Kepala Peneliti Elektronika Daya NREL.

Ringkasan Teknis :Apa tantangan teknis terbesar yang Anda hadapi saat mengembangkan ULIS?

Khan :ULIS menggunakan proses fabrikasi non-ortodoks. Modul daya adalah perangkat switching; ia memiliki saklar atas dan saklar bawah, dan kami menggunakan cetakan yang tersedia secara komersial. Jadi, kami tidak mengikuti cara pembuatan modul daya lainnya karena modul daya lainnya berbentuk persegi panjang, memiliki perutean arus tertentu, cara arus mengalir di dalam modul. Kami tidak mengikutinya karena tujuan pertama kami adalah mengurangi induktansi parasit sehingga kami dapat beralih lebih cepat. Dan diperlukan teknik pembatalan fluks, yaitu fluks yang diinduksi oleh arus. Kami perlu membatalkannya agar induktansi efektif di dalam modul menjadi rendah — atau bahkan jika induktansinya tidak rendah, namun saat Anda mengalirkan arus, ia bertindak seolah-olah rendah.

Oleh karena itu kami harus merancang ULIS dengan cara yang non-konvensional, tidak ortodoks, namun tidak mudah. Menurut saya, itu membutuhkan pemesinan yang sangat rumit. Itu adalah tantangan terbesar bagi kami.

Ringkasan Teknis :Bisakah Anda menjelaskan secara sederhana cara kerja ULIS?

Khan :ULIS memiliki tiga inovasi besar. Yang pertama adalah induktansi ultra rendah, artinya memiliki sejumlah perangkat yang dihubungkan secara paralel dan seri — jadi empat perangkat dihubungkan secara paralel di bagian atas, empat perangkat dihubungkan secara paralel di bagian bawah dan kedua grup ini dihubungkan secara seri. Setiap perangkat diberi nilai 100 amp, sehingga grup yang terdiri dari empat perangkat secara paralel diberi nilai 400 amp dan masing-masing grup diberi nilai 1,2 kilovolt. Cara kerjanya adalah, jika Anda menerapkan sinyal gerbang ke grup atas, sakelar atas akan aktif; jika Anda menerapkan sinyal gerbang ke grup bawah, sakelar bawah akan aktif.

Kami menghubungkan cetakan di bagian atas ke cetakan di bagian bawah sehingga efek induktansi parasit saling menghilangkan dan induktansi parasit efektif secara keseluruhan sangat rendah. Untuk modul 400 amp, 1,2 kv terbaik yang tersedia secara komersial, induktansi parasitnya sekitar enam nanohenri, sedangkan untuk ULIS, mendekati 500-600 pikohenri — pengurangan 10 hingga 11 kali lipat.

Cara kerjanya sangat sulit untuk dijelaskan, namun konsep keseluruhannya adalah pembatalan fluks di dalam modul daya. Ini adalah teknik yang masih dalam proses paten, dan kami sedang mencoba mencari vendor yang tertarik untuk mengkomersialkannya.

Inovasi kedua adalah lapisan insulasi kami. Setiap modul daya memerlukannya karena cetakan di bagian atas harus diisolasi dari bawah. Modul yang tersedia secara komersial menggunakan keramik, yang memberikan isolasi listrik dan konduktif secara termal. Itu adalah properti yang kita perlukan. Kelemahan terbesar dari keramik adalah harganya yang mahal. Keramik juga sangat sulit untuk dikerjakan — Anda memerlukan mesin yang sangat khusus untuk memotongnya. Tujuan kami adalah merancang proses fabrikasi yang memungkinkan pembuatan prototipe cepat. Jadi, sebagai pengganti keramik, kami menggunakan Temprion, yaitu film poliamida yang bisa Anda potong. Ini memberikan isolasi listrik yang diperlukan, dan pada saat yang sama bersifat konduktif termal. Meski tidak sebagus keramik, lapisannya sangat tipis sehingga tidak ada kompromi dalam konduktivitas termal. Jadi pembuatan prototipe cepat dapat dilakukan.

Nomor tiga, ULIS dapat dikontrol secara nirkabel. Ketika suatu sistem memiliki banyak modul daya, sangat sulit untuk mengontrol masing-masing modul karena akan terdapat begitu banyak kabel. Jadi, dalam sistem yang kompleks, yang memiliki begitu banyak modul, jika Anda dapat mengontrolnya secara nirkabel dan memantaunya secara nirkabel, itu adalah keuntungan besar.

Ringkasan Teknis :Anda mengatakan bahwa ULIS masih dalam proses paten dan Anda ingin mengkomersialkannya. Pertanyaan saya adalah:Ke mana Anda pergi setelah ini? Apa langkah Anda selanjutnya?

Khan :Ya. ULIS telah melalui beberapa iterasi. Yang kami mulai memiliki induktansi 700 pikohenri, dan sekarang kurang dari 600 pikohenri. Sekarang kami mencoba membangun sirkuit di sekitar ULIS. Jadi bisa berupa inverter besar, pengisi daya baterai besar, atau konverter AC-DC.

Tahun lalu, ULIS mengikuti kompetisi R&D 100, dan kami menjadi salah satu finalis — kami menjadi salah satu dari 158 proyek teratas. Namun, agar memenuhi syarat untuk mendapatkan Penghargaan R&D 100, Anda harus masuk dalam 100 besar. Sayangnya, kami tidak bisa masuk dalam seratus besar.

Tahun ini kami coba lagi karena paketnya lengkap. Agar memenuhi syarat untuk R&D 100, salah satu kuncinya adalah teknologi berlisensi. Jadi jika kami dapat melisensikan teknologi ini, jika kami dapat menunjukkan bahwa sebuah perusahaan telah melisensikan modul daya ULIS ini, hal itu akan membuat kami sangat kompetitif untuk mendapatkan penghargaan ini. Jadi, kami akan membangun sistem berdasarkan ULIS dan menunjukkan bahwa sesuatu yang dibangun berdasarkan sistem tersebut memiliki volume dan bobot yang sangat kompak dibandingkan dengan solusi yang tersedia secara komersial.

Transkrip

00:00:01 Bagaimana kita membuat kendaraan, mesin industri, penyimpanan energi, dan pesawat terbang menjadi lebih efisien, ringkas, aman, dan terjangkau? Kami membuat modul daya yang lebih baik.    Modul daya adalah bagian penting dari perangkat elektronik modern bertegangan tinggi yang mengubah energi dari sumber ke tujuan, seperti aki kendaraan ke motornya. Namun modul daya modern dibatasi oleh ukuran dan induktansi parasitnya:ukuran energi yang terbuang saat modul mengubah listrik.  Kini modul daya ULIS baru dari NREL dapat memberi daya pada kendaraan dan perangkat elektronik bertegangan tinggi lainnya dengan ukuran, biaya, dan induktansi parasit yang lebih kecil dibandingkan pesaingnya.   Namun itu bukan satu-satunya cara ULIS menjadi yang terbaik dalam persaingan. Ini juga lebih sederhana, lebih cepat untuk dirakit, dan lebih efisien. ULIS bersifat modular,   mudah beradaptasi untuk melayani beragam  teknologi dan desain, serta mampu  

00:00:59 memantau kesehatan mesin secara nirkabel secara real-time untuk memprediksi kesalahan sebelum terjadi.     Berkat kepadatan dayanya yang tak tertandingi, ULIS dapat membuka teknologi baru yang menarik seperti pengisi daya kendaraan listrik super cepat portabel, reaktor fusi mini untuk mendukung jaringan mikro dan pusat data, dan bahkan mobilitas udara tingkat lanjut. Desain power pack ULIS dapat membantu membangun masa depan elektronik modern yang lebih aman, cerdas, efisien, dan terjangkau.   Ini lebih banyak kekuatan dengan lebih sedikit.