ULIS 소개: 효율성, 전력 밀도, 저제조 비용을 재정의하는 전력 모듈

Andrew Corselli

ULIS는 널리 사용 가능한 장비로 가공 가능해 전력 모듈 제조 비용을 수천 달러에서 수백 달러로 절감합니다. (이미지: Brooke Buchan, NREL)

전 세계 에너지 수요가 급증하고 있습니다. 인공지능을 구동하는 에너지 집약적 데이터 센터와 제조 증가에 의해 밀려납니다. 세계는 이 증가하는 에너지 수요를 어떻게 충족할 것인가?

한 가지 답은 이미 생산하는 에너지를 더 저렴한 비용으로 더 많이 활용하는 것입니다. 이 목표를 추구하며 NREL 연구자들은 실리콘 카바이드 기반 전력 모듈(시스템 간 전기 흐름을 제어하는 전력 전자장치의 물리적 하우징)을 개발했습니다. 이는 전례 없는 효율성, 전력 밀도, 저비용 제조성을 갖췄습니다.

이 돌파구는 NREL의 초저인덕턴스 스마트 전력 모듈로, ULIS라 불립니다. 실리콘 카바이드 반도체로 구동되는 ULIS는 이전 설계 대비 5배 더 높은 에너지 밀도를 더 작은 패키지로 달성해 제조업체가 더 효율적이고 콤팩트하고 가벼운 기술을 구축하고 구동할 수 있게 합니다. 1200볼트, 400암페어 전력 모듈은 데이터 센터, 전력 그리드, 마이크로리액터, 차세대 항공기와 군용 차량 같은 중장비에도 적합합니다.

여기 수석 연구원 Faisal Khan, NREL 수석 전력 전자 연구원과의 독점 Tech Briefs 인터뷰가 있습니다(길이와 명확성을 위해 편집됨).

Tech Briefs: ULIS 개발 중 직면한 가장 큰 기술적 과제는 무엇이었나요?

Khan: ULIS는 비정통적 제조 공정을 사용합니다. 전력 모듈은 스위칭 장치로 탑 스위치와 바텀 스위치가 있고 상용 다이를 사용합니다. 그래서 우리는 다른 전력 모듈들이 제조되는 방식을 따르지 않았습니다. 다른 전력 모듈들은 직사각형이고 특정 전류 라우팅, 모듈 내부 전류 흐름 방식이 있습니다. 우리는 그걸 따르지 않았습니다. 첫 의도가 기생 인덕턴스를 줄여 더 빠르게 스위칭할 수 있게 하는 것이었기 때문입니다. 플럭스 캔슬레이션 기술이 필요했는데, 이는 전류에 의해 유도된 플럭스를 상쇄해 모듈 내부 유효 인덕턴스가 낮게, 혹은 낮지 않더라도 전류를 가하면 낮은 것처럼 행동하게 만드는 것입니다.

그래서 우리는 ULIS를 비관습적, 비정통적으로 설계해야 했지만 쉽지 않았습니다. 매우 섬세한 가공이 필요했습니다. 그것이 우리에게 가장 큰 과제였습니다.

Tech Briefs: ULIS 작동 원리를 간단히 설명해 주실 수 있나요?

Khan: ULIS에는 세 가지 주요 혁신이 있습니다. 첫째는 초저인덕턴스입니다. 특정 개수의 소자가 병렬과 직렬로 연결되어 있습니다. 위쪽 4개 소자 병렬, 아래쪽 4개 소자 병렬, 이 두 그룹이 직렬로 연결됩니다. 각 소자는 100암페어 정격이라 병렬 4개 그룹은 400암페어, 각 그룹은 1.2킬로볼트 정격입니다. 작동 방식은 게이트 신호를 위쪽 그룹에 가하면 탑 스위치 활성화, 아래쪽 그룹에 가하면 바텀 스위치 활성화됩니다.

위쪽 다이를 아래쪽 다이와 연결해 기생 인덕턴스 효과가 서로 상쇄되어 전체 유효 기생 인덕턴스가 극도로 낮게 만듭니다. 최고 상용 400암페어 1.2kV 모듈의 기생 인덕턴스는 약 6나노헨리인 반면 ULIS는 500-600피코헨리에 가깝습니다. 10~11배 감소입니다.

작동 원리는 설명하기 매우 어렵지만 전반적 개념은 전력 모듈 내부 플럭스 캔슬레이션입니다. 이는 특허 출원 중인 기술이며 상용화에 관심 있는 벤더를 찾고 있습니다.

두 번째 혁신은 절연층입니다. 모든 전력 모듈은 탑 다이가 바텀에서 절연되어야 하므로 필요합니다. 상용 모듈은 세라믹을 사용하는데 전기 절연과 열전도성을 제공합니다. 그게 우리가 필요한 속성입니다. 세라믹의 가장 큰 단점은 비싸다는 것입니다. 가공하기도 매우 어렵습니다. 특수 가공으로 잘라야 합니다. 우리의 의도는 신속 프로토타이핑이 가능한 제조 공정을 설계하는 것이었습니다. 그래서 세라믹 대신 Temprion을 사용합니다. 필요한 전기 절연을 제공하면서 동시에 열전도성인 폴리아마이드 필름으로 자를 수 있습니다. 세라믹만큼 좋진 않지만 층이 너무 얇아 열전도성에 타협이 없습니다. 그래서 신속 프로토타이핑이 가능합니다.

세 번째, ULIS는 무선 제어가 가능합니다. 시스템에 많은 전력 모듈이 있으면 너무 많은 와이어 때문에 각각 제어하기 매우 어렵습니다. 복잡한 시스템에서 많은 모듈이 있으면 무선으로 제어하고 모니터링할 수 있다면 큰 이점입니다.

Tech Briefs: ULIS가 특허 출원 중이고 상용화를 모색 중이라고 하셨습니다. 다음 단계는 무엇인가요?

Khan: 네. ULIS는 여러 반복을 거쳤습니다. 시작한 건 700피코헨리 인덕턴스였고 이제 600피코헨리 미만입니다. 이제 ULIS 주위에 회로를 구축하려 합니다. 큰 인버터, 큰 배터리 충전기, AC-DC 컨버터가 될 수 있습니다.

작년 ULIS가 R&D 100 대회에 나가 158개 프로젝트 중 하나로 탑 158 결승에 올랐습니다. 하지만 R&D 100 어워드 자격을 얻으려면 탑 100에 들어야 합니다. 안타깝게도 탑 100엔 들지 못했습니다.

올해 다시 도전하려 합니다. 완전한 패키지이기 때문입니다. R&D 100 자격의 핵심 중 하나는 라이선스 기술입니다. 이 기술을 라이선스할 수 있다면, 회사가 ULIS 전력 모듈을 라이선스했음을 보일 수 있다면 어워드 경쟁에서 매우 유리해집니다. 그래서 ULIS 주위에 시스템을 구축하고 상용 솔루션 대비 부피와 무게에서 매우 콤팩트한 것을 보여주려 합니다.

대본

00:00:01 차량, 산업 기계, 에너지 저장, 항공기를 어떻게 더 효율적이고 콤팩트하고 안전하고 저렴하게 만들까? 더 나은 전력 모듈을 만든다. 전력 모듈은 고전압 현대 전자장치의 필수 부품으로 에너지원을 목적지로 변환합니다. 차량 배터리를 모터로처럼. 하지만 현대 전력 모듈은 크기와 기생 인덕턴스로 제한됩니다: 모듈이 전기를 변환할 때 낭비되는 에너지의 척도. 이제 NREL의 새로운 ULIS 전력 모듈은 경쟁사 대비 크기, 비용, 기생 인덕턴스 일부분으로 차량과 기타 고전압 전자장치를 구동할 수 있습니다. 하지만 그게 ULIS가 경쟁사를 능가하는 유일한 방식이 아닙니다. 더 단순하고, 조립이 더 빠르고, 더 효율적입니다. ULIS는 모듈식으로 다양한 기술과 설계에 적응 가능하고,

00:00:59 기계 건강을 실시간으로 무선 모니터링해 고장을 사전 예측할 수 있습니다. 비교할 수 없는 전력 밀도로 ULIS는 휴대용 초고속 EV 충전기, 마이크로그리드와 데이터 센터 지원 소형 핵융합로, 심지어 첨단 항공 모빌리티 같은 흥미로운 새 기술을 열 수 있습니다. ULIS의 파워 팩 설계는 더 안전하고 스마트하고 효율적이고 저렴한 현대 전자장치의 미래를 건설하는 데 도움을 줄 수 있습니다. 더 적은 것으로 더 많은 파워를.