全球最小SiC模块亮相：200KHz、杂感0.71nH

9月10日，美国国家可再生能源实验室 (NREL) 研究人员宣布，他们构建出全球开关速度最快、成本最低、效率最高的碳化硅功率模块——超低电感智能 (ULIS) 功率模块。

NREL团队表示，ULIS功率模块具有前所未有的效率、功率密度和低成本制造能力，其关键技术之一是采用碳化硅半导体技术，从而能够在更小的封装内实现比前代设计高5倍的能量密度。

据介绍，这款ULIS功率模块的规格为1200V、400A，适用于数据中心、电网、微型反应堆，甚至重型交通工具，如下一代飞机和军用车辆。

除了小型化外，ULIS功率模块的寄生电感也非常出色——比当前最先进的碳化硅电源模块低7-9倍。超快开关速度、超高效的电流转换能力使ULIS能够大幅提升电能的利用率，有望成为解决全球能源需求问题的一个引人注目的解决方案。

NREL项目主要研究员Faisal Khan表示，“我们认为ULIS模块是一项真正的突破，这是一个面向未来的超快速电源模块，将使下一代电源转换器更加经济实惠、高效和紧凑。”

此外，ULIS功率模块还具有更高的“智能”特性。据Khan解释，ULIS模块能监控自身健康状况，并能在组件发生故障前预测故障，因此特别适合高强度应用，如航空和军事行动，尤其是对于在海拔3万英尺飞行的飞机或在战区行驶的军用车辆，在这些应用领域，可靠性可能意味着生与死的差别。

据了解，ULIS模块的许多功能得益于其全新的设计。

与典型的功率模块的砖块状封装不同，ULIS模块是将电路绕在一个平坦的八角形设计上。这种圆盘状形状能够在更小的区域内容纳更多器件，从而使整个模块封装更小、更轻。

同时，为了提高ULIS模块的开关速度，他们还采用了新颖的电流路径来实现最大的磁通抵消，有助于功率模块产生低损耗的电能输出——即超高效率。

根据NREL电力电子研究员Shuofeng Zhao（设计ULIS磁通抵消架构）透露，为了使ULIS实现迄今为止最低的寄生电感，他们此前构思了多种方案。

最初的布局之一看起来像一朵花，每个花瓣尖端都有一个半导体。而另一个布局方案是创建一个空心圆柱体，将组件连接到内部。但是这些方案要么太昂贵，要么太难制造。

后面，他们放弃了三维布局的方案思考，而是采取了近乎二维的扁平化设计。这种2D结构使得ULIS模块的构建能够在复杂性、成本和性能之间取得平衡。

最终，该团队在3D设计的高电气性能与平坦、易于制造的2D布局之间，找到的精细平衡，从而释放了ULIS模块的全部潜力。

此外，ULIS还采取了一种新方法，减少了对传统功率模块笨重不灵活材料的使用。

传统设计要求电源模块通过将铜片直接粘合到陶瓷基板上来导电和散发多余热量——这是一种有效但刚性的解决方案。而ULIS模块是将铜粘合到杜邦的Temprion柔性聚合物上，从而创造出更薄、更轻、更可配置的设计（获取该工艺文件请加许若冰微信：hangjiashuo999）。

由于Temprion材料与铜的粘合只需使用压力和热量就能轻松实现，并且其部件可以使用广泛可用的设备进行加工，因此ULIS模块可以快速且低成本地制造。

另外，ULIS模块的第三项突破使它能够作为独立单元无线运行，无需外部电缆即可控制和监控。这种模块化、类似乐高的特性意味着它可以插入数据中心服务器、先进飞机和军用车辆等不同的机器中。这种低延迟无线通信协议专利正在申请中。

ULIS可以在哪些领域产生影响？

• 现代化电网：每当能源输入电网时，都必须转换为可用形式。这个过程通常依赖于笨重的低频变压器和转换站。ULIS的超快速和高效切换最大化了到达消费者的能量，而其耐高温特性可以降低发电厂整个生命周期的维护成本。
• 先进飞机：由于ULIS能够比市场上其他技术更快地传输电力并节约更多电能，它可以为先进飞机提供高性能、轻量化的电源转换器。这意味着电动垂直起降（eVTOL）车辆等未来技术——有时被称为“飞行出租车”——可能变得成本效益高且性能足够好，从而实现商业化。

• 通过聚变为城市和数据中心供电：虽然商业聚变反应堆尚未实现，但这些能源系统可能通过在不便建设和维护传统能源系统的地方提供电力而带来革命性变化。ULIS的超低电感和紧凑可靠的设计将使构建未来聚变系统所需的脉冲功率组件成为可能。

来源：行家说三代半

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