全球能源需求正在飙升，这得益于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。世界将如何满足这些不断增长的能源需求？

答案之一是以更低的成本更高效地利用现有的能源。据外媒报道，为了实现这一目标，美国国家可再生能源实验室（National Renewable Energy Laboratory，NREL）的研究人员创造了一种基于碳化硅的功率模块——一种用于容纳控制系统间电流流动的电力电子设备的物理外壳——它具有前所未有的效率、功率密度和低成本制造能力。

图片来源： NREL

这项突破性成果被称为NREL的超低电感智能电源模块，代号为ULIS。ULIS采用碳化硅半导体供电，能够在更小的封装内实现比前代设计高出五倍的能量密度，使制造商能够构建和驱动更高效、更紧凑、更轻便的技术。

这款1200伏、400安培的电源模块适用于数据中心、电网、微反应堆，甚至下一代飞机和军用车辆等重型车辆。

最重要的是，ULIS的寄生电感（即对电流变化的阻抗，这是任何电力转换的主要障碍）比目前任何最先进的碳化硅功率模块低七到九倍。它能够超快速、超高效地将电流转换为可用形式，使ULIS能够从电力供应中“榨取”更多可用电能。这使得它成为解决全球能源需求问题的一个极具吸引力的解决方案。

“我们认为ULIS是一项真正的突破，”NREL首席电力电子研究员兼该项目首席研究员Faisal Khan表示。“这是一款面向未来的超快速功率模块，将使下一代功率转换器更加经济实惠、高效紧凑。”

此外，Khan解释说，ULIS尤其适用于高强度应用，例如航空和军事行动，因为这个功能强大、重量轻的模块还能监测自身的健康状况，并能在组件故障发生前进行预测。对于在海拔3万英尺以上飞行的飞机或穿越战区的军用车辆来说，这种可靠性水平可能关乎生死。

“ULIS是一项真正意义上的自主研发成果，完全由NREL内部开发，”Khan说道。“我们非常高兴能够在实际环境中展示它的优势。”

ULIS采用全新低成本设计

ULIS的诸多功能均源于其全新设计。与将半导体器件组装在砖状封装内的典型功率模块不同，ULIS的电路采用扁平的八边形设计。这种圆盘状结构能够在更小的面积内容纳更多器件，从而使整体封装更小巧、更轻便。同时，创新的电流路径设计可最大程度地消除磁通量，从而有助于功率模块实现纯净、低损耗的电输出，即超高效率。

“我们最大的担忧是器件的开关速度非常快，我们需要一种不会在设计中造成瓶颈的布局，”设计ULIS磁通消除架构的NREL电力电子研究员Shuofeng Zhao说道。

Zhao表示，最初的布局之一看起来像一朵花，每片花瓣的尖端都有一个半导体。另一个想法是创建一个空心圆柱体，并将元件连接到内部。团队提出的每一个想法要么太昂贵，要么太难制造——直到他们放弃三维思维，将设计扁平化为近乎二维。ULIS团队的另一位NREL电力电子研究员Sarwar Islam提出了二维结构，这使得构建一个在复杂性、成本和性能之间取得平衡的模块成为可能。

“我们把它压扁，就像压薄饼一样，”Zhao教授说，“突然间，我们就有了一个低成本、高性能、更容易制造的设计。”

另一位NREL电力电子研究员Joshua Major提出了几项制造创新，仅使用NREL的工具和实验室设备，就能以低成本构建ULIS的复杂架构。

团队在3D设计的高电气性能与易于制造的扁平布局之间找到了微妙的平衡，从而充分释放了ULIS的潜力。其次，传统电源模块依赖于笨重且不灵活的材料，而ULIS则采用了一种全新的方法。

传统的电源模块设计要求通过将铜片直接粘合到陶瓷基座上来导电并散热——这是一种有效但刚性的解决方案。ULIS将铜与一种名为Temprion的柔性聚合物粘合在一起，从而创造出更薄、更轻、更易于配置的设计。

由于这种材料只需加压加热即可轻松与铜结合，且其零件可使用广泛普及的设备进行加工，因此ULIS可以快速且低成本地制造。制造成本总计数百美元，而非数千美元。

第三项突破使ULIS能够以无线方式运行，作为一个独立单元，无需外部线缆即可进行控制和监控。这种类似乐高的模块化特性意味着它可以嵌入到各种类型的设备中，例如数据中心服务器、先进飞机和军用车辆。这项低延迟无线通信协议的专利由NREL电力电子部门的Sarwar Islam牵头，目前正在申请中。

最后，虽然为ULIS供电的碳化硅半导体代表了当前的技术水平，但ULIS研究团队特意为该设计“面向未来”。ULIS可以扩展，以适应使用碳化硅、氮化镓甚至氧化镓的半导体器件的进步，这是一种尚未实现商业化的前景光明的途径。

ULIS专为高强度应用而设计，即将带来巨大影响

美国电网现代化：当电能输入电网时，必须将其转换为可用的形式。这一过程通常依赖于笨重的低频变压器和转换站。ULIS的超快高效转换功能可最大限度地提高到达消费者的电能，其耐高温性能可降低发电厂整个生命周期的维护成本。

赋能先进飞机：由于ULIS的电力传输速度比市面上其他技术更快，并且更节能，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）飞行器（有时被称为“飞行出租车”）等未来技术，将能够实现成本效益和高性能，从而实现商业可行性。

通过聚变为城市和数据中心供电：虽然商用聚变反应堆尚待开发，但这些能源系统可能通过在传统能源系统难以建造和维护的地方提供电力，带来革命性的变化。ULIS的超低电感和紧凑可靠的设计，将使未来聚变系统所需的脉冲功率组件的制造成为可能。