ULIS 소개:효율성, 전력 밀도 및 낮은 제조 비용을 재정의하는 전력 모듈

앤드류 코셀리

ULIS는 널리 사용되는 장비를 사용하여 가공할 수 있으므로 전원 모듈의 제조 비용을 수천 달러에서 수백 달러로 줄일 수 있습니다. (이미지:브룩 뷰컨, NREL)

인공 지능과 제조 증가를 지원하는 에너지 집약적 데이터 센터로 인해 글로벌 에너지 수요가 급증하고 있습니다. 세계는 이러한 증가하는 에너지 수요를 어떻게 충족시킬 수 있습니까?

한 가지 대답은 우리가 이미 생산하고 있는 에너지를 더 낮은 비용으로 더 많이 활용하는 것입니다. 이 목표를 추구하기 위해 NREL 연구진은 이전에는 볼 수 없었던 효율성, 전력 밀도 및 저렴한 제조 가능성을 갖춘 탄화규소 기반 전력 모듈(시스템 간의 전기 흐름을 제어하는 전력 전자 장치용 물리적 하우징)을 만들었습니다.

NREL의 초저 인덕턴스 스마트 전력 모듈이라고 불리는 이 획기적인 기술은 ULIS라는 별명으로 불립니다. 탄화규소 반도체로 구동되는 ULIS는 더 작은 패키지에서 이전 설계보다 5배 더 높은 에너지 밀도를 달성할 수 있으므로 제조업체는 더 효율적이고 컴팩트하며 가벼운 기술을 구축하고 구동할 수 있습니다. 1200볼트, 400암페어 전력 모듈은 데이터 센터, 전력망, 마이크로리액터는 물론 차세대 항공기 및 군용 차량과 같은 대형 차량에도 사용하기에 적합합니다.

다음은 독점적인 기술 개요 입니다. NREL의 수석 전력전자공학 연구원이자 수석 조사관인 파이살 칸(Faisal Khan)과의 인터뷰(길이와 명확성을 위해 편집됨).

기술 요약 :ULIS를 개발하면서 직면했던 가장 큰 기술적인 어려움은 무엇이었나요?

칸 :ULIS는 비정통적인 제작 공정을 사용합니다. 전원 모듈은 스위칭 장치입니다. 상단 스위치와 하단 스위치가 있으며 시중에서 판매되는 다이를 사용합니다. 따라서 우리는 다른 전원 모듈이 직사각형이고 특정 전류 라우팅, 즉 모듈 내부에서 전류가 흐르는 방식을 가지고 있기 때문에 다른 전원 모듈이 제조되는 방식을 따르지 않았습니다. 우리의 첫 번째 의도는 더 빠르게 전환할 수 있도록 기생 인덕턴스를 줄이는 것이었기 때문에 이를 따르지 않았습니다. 그리고 전류에 의해 유도되는 자속을 의미하는 자속 상쇄 기술이 필요했습니다. 모듈 내부의 유효 인덕턴스가 낮거나 낮지 않더라도 전류를 인가하면 낮은 것처럼 작동하도록 취소해야 했습니다.

그렇기 때문에 우리는 ULIS를 틀에 얽매이지 않고, 정통적이지 않은 방식으로 디자인해야 했지만 쉽지 않았습니다. 매우 섬세한 가공이 필요했습니다. 그것이 우리에게 가장 큰 과제였습니다.

기술 요약 :ULIS가 어떻게 작동하는지 간단하게 설명해주실 수 있나요?

칸 :ULIS에는 세 가지 주요 혁신이 있습니다. 첫 번째는 초저 인덕턴스입니다. 즉, 특정 수의 장치가 병렬 및 직렬로 연결되어 있음을 의미합니다. 따라서 4개의 장치는 상단에 병렬로 연결되고, 4개의 장치는 하단에 병렬로 연결되며, 이 두 그룹은 직렬로 연결됩니다. 각 장치의 정격은 100A이므로 병렬로 연결된 4개 그룹의 정격은 400A이고 각 그룹의 정격은 1.2킬로볼트입니다. 작동 방식은 상단 그룹에 게이트 신호를 적용하면 상단 스위치가 활성화됩니다. 하단 그룹에 게이트 신호를 적용하면 하단 스위치가 활성화됩니다.

기생 인덕턴스의 효과가 서로 상쇄되고 전체 유효 기생 인덕턴스가 매우 낮도록 상단의 다이를 하단의 다이에 연결했습니다. 시중에서 판매되는 최고의 400amp, 1.2kv 모듈의 경우 기생 인덕턴스는 약 6나노헨리인 반면, ULIS의 경우 500~600피코헨리로 10~11배 감소합니다.

어떻게 작동하는지 설명하기는 매우 어렵지만 전체적인 개념은 전원 모듈 내부의 자속 상쇄입니다. 이는 특허 출원 중인 기술이며 상용화에 관심이 있는 공급업체를 찾고 있습니다.

두 번째 혁신은 단열층입니다. 모든 전원 모듈에는 상단의 다이가 하단에서 절연되어야 하기 때문에 이 기능이 필요합니다. 시중에서 판매되는 모듈은 전기 절연 기능을 제공하고 열 전도성이 있는 세라믹을 사용합니다. 그것은 우리에게 필요한 속성입니다. 세라믹의 가장 큰 단점은 가격이 비싸다는 것입니다. 또한 작업하기가 매우 어렵습니다. 절단하려면 매우 특별한 가공이 필요합니다. 우리의 의도는 신속한 프로토타이핑이 가능한 제조 공정을 설계하는 것이었습니다. 그래서 세라믹 대신 절단이 가능한 폴리아미드 필름인 Temprion을 사용합니다. 이는 필요한 전기 절연을 제공하는 동시에 열 전도성도 있습니다. 세라믹만큼 좋지는 않지만 층이 얇아서 열전도율에는 타협이 없습니다. 그래서 신속한 프로토타이핑이 가능합니다.

세 번째, ULIS는 무선으로 제어할 수 있습니다. 시스템에 전원 모듈이 많으면 전선이 너무 많아 각각을 제어하기가 매우 어렵습니다. 따라서 모듈이 너무 많은 복잡한 시스템에서 모듈을 무선으로 제어하고 무선으로 모니터링할 수 있다면 큰 장점이 됩니다.

기술 요약 :ULIS가 특허 출원 중이며 상용화를 모색하고 있다고 하셨습니다. 내 질문은:여기서 어디로 가나요? 다음 단계는 무엇입니까?

칸 :네. ULIS는 여러 번의 반복을 거쳤습니다. 우리가 시작한 제품의 인덕턴스는 700피코헨리였는데, 지금은 600피코헨리 미만입니다. 이제 우리는 ULIS를 중심으로 회로를 구축하려고 합니다. 따라서 대형 인버터, 대형 배터리 충전기 또는 AC-DC 변환기가 될 수 있습니다.

작년에 ULIS는 R&D 100 대회에 참가하여 최종 후보 중 하나가 되었습니다. 즉, 상위 158개 프로젝트 중 하나가 되었습니다. 하지만 R&D 100대 상을 받으려면 상위 100위 안에 들어야 합니다. 안타깝게도 우리는 상위 100위 안에 들지 못했습니다.

올해도 풀 패키지이기 때문에 다시 시도해보려고 합니다. R&D 100의 자격을 갖추기 위한 핵심 사항 중 하나는 라이선스 기술입니다. 따라서 우리가 이 기술에 라이선스를 부여할 수 있다면, 회사가 이 ULIS 전력 모듈에 라이선스를 부여했다는 사실을 보여줄 수 있다면 우리는 이 상을 놓고 매우 경쟁력을 갖게 될 것입니다. 그래서 우리는 ULIS를 기반으로 시스템을 구축하고 이를 기반으로 구축된 시스템이 상용 솔루션에 비해 부피와 무게가 매우 컴팩트하다는 것을 선보일 예정입니다.

스크립트

00:00:01 차량, 산업 기계, 에너지 저장 장치 및 항공기를 어떻게 더 효율적이고 작고 안전하며 저렴하게 만들 수 있나요? 우리는 더 나은 전원 모듈을 구축합니다.    전원 모듈은 자동차 배터리에서 모터로 에너지를 소스에서 목적지로 변환하는 고전압 현대 전자 장치의 필수 부품입니다. 그러나 최신 전력 모듈은 크기와 기생 인덕턴스(모듈이 전기를 변환할 때 낭비되는 에너지 측정치)로 인해 제한됩니다.  이제 NREL의 새로운 ULIS 전력 모듈은 경쟁사보다 훨씬 적은 크기, 비용 및 기생 인덕턴스로 차량 및 기타 고전압 전자 장치에 전력을 공급할 수 있습니다.   하지만 이것이 ULIS가 경쟁에서 승리하는 유일한 방법은 아닙니다. 또한 더 간단하고, 더 빠르고, 더 효율적으로 조립할 수 있습니다. ULIS는 모듈식이며 광범위한 기술과 디자인을 제공하는 데 적합하며 다음과 같은 기능을 제공합니다. 

00:00:59 실시간으로 기계 상태를 무선으로 모니터링하여 오류가 발생하기 전에 예측합니다.     탁월한 전력 밀도 덕분에 ULIS는 휴대용 초고속 EV 충전기, 마이크로그리드 및 데이터 센터를 지원하는 소형 핵융합로, 심지어 고급 항공 이동성과 같은 흥미로운 신기술을 활용할 수 있습니다. ULIS의 파워 팩 설계는 현대 전자 제품의 더 안전하고 스마트하며 효율적이고 저렴한 미래를 구축하는 데 도움이 될 수 있습니다.   더 적은 비용으로 더 많은 힘을 얻을 수 있습니다.