这个小巧的发电装置，或将改变全球能源使用方式

一个很有前景的解决方案是更高效、低成本地利用现有能源。
功率效率新方法
美国国家可再生能源实验室（NREL）的研究人员开发了一种新型碳化硅基功率模块，旨在显著改善电力的转换和传输方式。功率模块是容纳电力电子设备的外壳，这些设备用于调节系统间的电流流动。这种新设计实现了破纪录的效率、更高的功率密度，且制造过程能保持低成本。
该技术被称为NREL的超低电感智能功率模块（ULIS）。通过使用碳化硅半导体，ULIS的能量密度是早期设计的五倍，同时占用空间更小。这种组合使制造商能够制造出更小、更轻、更节能的设备。这款1200伏、400安培的模块非常适合数据中心、电网、微型反应堆以及下一代飞机和军用车辆等重型平台。
为何超低电感至关重要
ULIS的一个关键优势是其极低的寄生电感，寄生电感指的是阻碍电流变化并限制高效功率转换的电阻。与当今最先进的碳化硅功率模块相比，ULIS将这种电阻降低了七到九倍。
由于该系统能极其快速高效地切换电流，因此能将更多可用电力转化为可用功率。这种能力使ULIS能从相同的能源供应中提取更多价值，使其成为满足日益增长的全球能源需求的有力候选方案。
“我们认为ULIS是一项真正的突破，”NREL首席电力电子研究员、该项目首席研究员费萨尔·汗表示，“这是一种面向未来的超快速功率模块，将使下一代功率转换器更经济、高效且紧凑。”
为极端条件下的可靠性而设计
ULIS的设计不仅注重效率，还注重在苛刻环境中的可靠性。汗表示，这款轻便但功能强大的模块可以监控自身状况，并在组件发生故障前预测故障。
这一特性对于航空和军事行动等高风险应用尤为关键。对于在30,000英尺高空飞行的飞机或在作战区域行驶的车辆，早期故障检测可能是任务成功与灾难性损失之间的区别。
“ULIS是一项真正的内部自主研发成果，完全由NREL内部研发，”汗说，“我们非常高兴能在现实环境中展示其优势。”
为降低制造成本而进行的彻底重新设计
ULIS的许多性能提升来自全新的物理设计。
传统功率模块将半导体器件堆叠在盒状封装内。而ULIS则将其电路布置成扁平的八边形布局。这种圆盘状结构能在更小的空间内容纳更多组件，同时减小了尺寸和重量。同时，其创新的电流路径设计最大限度地减少了磁干扰，有助于提供更清洁的电力输出和更高的整体效率。
“我们最大的担忧是设备开关速度非常快，我们需要一种不会在设计中造成瓶颈的布局，”NREL电力电子研究员赵朔峰（音译）说，他设计了ULIS的磁通抵消架构。
早期概念探索了复杂的三维形状，包括类似花朵或空心圆柱体的设计。然而，这些想法被证明成本过高或难以制造。当团队将概念简化为近二维结构时，突破出现了。NREL另一位电力电子研究员萨尔瓦尔·伊斯兰提出了这种扁平设计，平衡了性能、成本和可制造性。
“我们把它压扁了，就像煎饼一样，”赵说，“突然之间，我们就有了一种低成本、高性能且更容易制造的设计。”
约书亚·梅杰也是NREL电力电子团队的一员，他开发了新的制造方法，使得这种复杂结构仅使用内部工具和设施就能生产。其结果是一种结合了三维系统电气优势和扁平制造实用性的设计。
柔性材料和无线控制
ULIS还偏离了传统材料。传统功率模块将铜直接粘合到刚性陶瓷基底上，以导电和散热。虽然有效，但这种方法限制了灵活性。
相反，ULIS将铜粘合到一种名为Temprion的柔性聚合物上。这一变化产生了更薄、更轻、更具适应性的结构。这种材料仅通过热和压力就能与铜粘合，其组件可以用广泛可用的设备进行加工。因此，制造成本降至数百美元而非数千美元。
另一项重大进步是ULIS可以无线运行。该模块无需物理电缆即可进行控制和监控，作为一个独立单元运行。这种模块化、乐高式的设计使其能够集成到各种系统中，从数据中心服务器到先进飞机和军用车辆。由萨尔瓦尔·伊斯兰领导的低延迟无线通信协议专利目前正在申请中。
为未来技术而设计
虽然ULIS目前依赖先进的碳化硅半导体，但其设计有意为未来发展留有余地。该模块可以适配未来的半导体材料，包括氮化镓和氧化镓，其中氧化镓尚未投入商业使用。
总之，这些创新支持一个核心目标。随着社会对可靠电力的依赖日益增加，ULIS旨在在不牺牲可靠性的前提下提供效率。
ULIS可能带来最大影响的领域
预计ULIS将在多个行业产生广泛影响。
在美国电网中，电力在到达消费者之前必须转换为可用形式。这一过程通常依赖大型、低频设备，这些设备会浪费能源。ULIS的快速开关提高了效率，而其耐高温能力可能降低长期维护成本。
在航空领域，该模块快速传输电力和节约能源的能力使转换器更轻、功率更强。这可能有助于使电动垂直起降（eVTOL）飞机更实用且具有商业可行性。
ULIS还可能在未来的聚变能源系统中发挥作用。尽管商业聚变仍在开发中，但这些系统将需要紧凑且可靠的脉冲功率组件。ULIS的超低电感和耐用设计使其非常适合应对这一挑战。
随着各行业追求更可靠的电力、先进的人工智能和下一代车辆，ULIS现已可供许可使用。