La demanda mundial de electricidad está aumentando rápidamente. Los centros de datos que consumen mucha energía y respaldan la inteligencia artificial, junto con la expansión de la fabricación, están ejerciendo una presión sin precedentes sobre los sistemas de energía en todo el mundo. Satisfacer esa demanda requerirá algo más que generación de energía adicional.
Una solución prometedora es utilizar los suministros de energía existentes de manera más eficiente y a menor costo.
Un nuevo enfoque para la eficiencia energética
Investigadores del Laboratorio Nacional de Energía Renovable (NREL) han desarrollado un nuevo módulo de energía basado en carburo de silicio diseñado para mejorar drásticamente la forma en que se convierte y distribuye la electricidad. El módulo de potencia es la carcasa que contiene la electrónica de potencia, que controla el flujo de electricidad dentro del sistema. Este nuevo diseño ofrece una eficiencia récord, una alta densidad de energía y un proceso de fabricación que mantiene los costos bajos.
La tecnología se conoce como módulo de potencia inteligente de inductancia ultrabaja de NREL o ULIS. Utilizando semiconductores de carburo de silicio, ULIS puede alcanzar cinco veces la densidad de potencia de diseños anteriores y ocupando menos espacio. Esta combinación permite a los fabricantes crear equipos más pequeños, más ligeros y más eficientes energéticamente. El módulo de 1200 voltios y 400 amperios es adecuado para plataformas de servicio pesado, como centros de datos, redes eléctricas, microrreactores y aviones y vehículos militares de próxima generación.
Por qué es importante la inductancia ultrabaja
Una ventaja importante de ULIS es su inductancia parásita excepcionalmente baja, que se refiere a la resistencia que ralentiza el cambio en la corriente eléctrica y limita la conversión eficiente de energía. ULIS reduce esta resistencia entre siete y nueve veces en comparación con los módulos de potencia de carburo de silicio más avanzados de la actualidad.
Debido a que el sistema puede cambiar la corriente eléctrica de manera muy rápida y eficiente, convierte la electricidad disponible en energía utilizable. Esta capacidad permite a ULIS extraer mucho más valor del mismo suministro de energía, lo que la convierte en un fuerte candidato para abordar la creciente demanda energética mundial.
“Consideramos que ULIS es un verdadero avance”, afirmó Faisal Khan, investigador principal de electrónica de potencia del NREL y principal investigador del proyecto. “Es un módulo de potencia ultrarrápido preparado para el futuro que hará que los convertidores de potencia de próxima generación sean más asequibles, eficientes y compactos”.
Construido para brindar confiabilidad en condiciones extremas
ULIS está diseñado no solo para brindar eficiencia, sino también confiabilidad en entornos exigentes. Según Khan, el módulo liviano pero robusto puede monitorear su propia condición y predecir fallas de componentes antes de que ocurran.
Esta característica es especialmente importante para aplicaciones de alto riesgo, como la aviación y las operaciones militares. Para las aeronaves que operan a 30.000 pies o los vehículos que operan en zonas de combate, la detección temprana de fallas puede significar la diferencia entre el éxito de la misión y una pérdida catastrófica.
“ULIS fue un esfuerzo verdaderamente orgánico, desarrollado íntegramente aquí en NREL”, dijo Khan. “Estamos muy emocionados de demostrar su poder en entornos del mundo real”.
Un rediseño radical para una producción de bajo coste
Muchas de las mejoras en el rendimiento del ULIS provienen de un diseño físico completamente nuevo.
Los módulos de potencia tradicionales apilan dispositivos semiconductores en un paquete similar a una caja. En cambio, ULIS organiza sus circuitos en una disposición plana y octogonal. Esta estructura en forma de disco encaja más componentes en un espacio más pequeño, reduciendo tanto el tamaño como el peso. Al mismo tiempo, su innovador enrutamiento de corriente minimiza la interferencia magnética, lo que ayuda a ofrecer una salida eléctrica más limpia y una mayor eficiencia general.
“Nuestra mayor preocupación era que el dispositivo se apagara demasiado rápido y necesitábamos un diseño que no creara un cuello de botella en el diseño”, dijo Shuofeng Zhao, investigador de electrónica de potencia del NREL que diseñó la arquitectura de cancelación de flujo de ULIS.
Los primeros conceptos exploraron formas tridimensionales complejas con diseños como flores o cilindros huecos. Sin embargo, estas ideas resultaron demasiado caras o difíciles de producir. El gran avance se produjo cuando el equipo simplificó el concepto hasta convertirlo en una estructura casi bidimensional. Sarwar Islam, otro investigador de electrónica de potencia del NREL, propuso un diseño plano que equilibra el rendimiento, el costo y la capacidad de fabricación.
“Lo aplanamos como si fuera una tortita”, dijo Zhao, “y de repente tuvimos un diseño de bajo costo y alto rendimiento que era mucho más fácil de fabricar”.
Joshua Major, que también forma parte del equipo de electrónica de potencia del NREL, desarrolló nuevos métodos de fabricación que permiten construir estructuras complejas utilizando únicamente herramientas e instalaciones internas. El resultado fue un diseño que combinaba las ventajas eléctricas de los sistemas tridimensionales con la practicidad de la fabricación plana.
Materiales flexibles y control inalámbrico.
ULIS también se aleja de los materiales convencionales. Los módulos de energía tradicionales unen el cobre directamente a una base cerámica sólida que puede conducir electricidad y calor. Si bien es eficaz, este enfoque limita la flexibilidad.
En cambio, ULIS une el cobre a un polímero flexible llamado Temperion. Este cambio crea una estructura más delgada, ligera y adaptable. El material se adhiere al cobre utilizando únicamente calor y presión, y sus componentes pueden mecanizarse con herramientas ampliamente disponibles. Como resultado, los costos de producción caen en cientos de dólares en lugar de miles.
Otro avance importante permitió a la ULIS funcionar de forma inalámbrica. El módulo funciona como una unidad autónoma y se puede controlar y monitorear sin cables físicos. Este diseño modular, similar al de Lego, permite integrarlo en una amplia gama de sistemas, desde servidores de centros de datos hasta aviones avanzados y vehículos militares. Actualmente está pendiente una patente sobre un protocolo de comunicación inalámbrica de baja latencia liderado por Sarwar Islam.
Diseñado para la tecnología del futuro
Aunque ULIS se basa en semiconductores de carburo de silicio desarrollados actualmente, el diseño se hizo intencionalmente para evolucionar. El módulo se puede adaptar a futuros materiales semiconductores, incluidos el nitruro de galio y el óxido de galio, que aún no han alcanzado su uso comercial.
Juntas, estas innovaciones respaldan un objetivo central. A medida que las sociedades se vuelven cada vez más dependientes de una electricidad confiable, ULIS está diseñado para brindar eficiencia sin sacrificar la confiabilidad.
Dónde ULIS puede marcar la mayor diferencia
Se espera que la ULIS tenga un amplio impacto en múltiples sectores.
En la red eléctrica estadounidense, la electricidad debe convertirse en una forma utilizable antes de llegar a los consumidores. Este proceso a menudo depende de equipos grandes y de baja frecuencia que desperdician energía. La rápida conmutación de ULIS mejora la eficiencia, mientras que su tolerancia a altas temperaturas puede reducir los costos de mantenimiento a largo plazo.
En la aviación, la capacidad del módulo para mover electricidad rápidamente y almacenar energía permite convertidores más ligeros y potentes. Esto podría ayudar a que los aviones eléctricos de despegue y aterrizaje vertical (eVTOL) sean más prácticos y comercialmente viables.
ULIS puede desempeñar un papel en futuros sistemas de energía de fusión. Aunque la fusión comercial está en desarrollo, estos sistemas requerirán componentes de energía pulsada compactos y confiables. La inductancia ultrabaja y el diseño duradero de ULIS lo hacen ideal para ese desafío.
A medida que las industrias buscan electricidad más confiable, inteligencia artificial avanzada y vehículos de próxima generación, ULIS ahora está disponible para concesión de licencias.
