10 Minuten
Als die weltweite Nachfrage nach elektrischer Energie rasant ansteigt, haben Forscher am National Renewable Energy Laboratory (NREL) des US-Energieministeriums ein kompaktes Leistungsmodul vorgestellt, das verspricht, deutlich mehr nutzbare Energie aus bestehenden Stromquellen zu gewinnen. Aufbauend auf Siliziumkarbid-Halbleitern und einer innovativen Formgebung vereint das Ultra-Low Inductance Smart power module, kurz ULIS, hohe Spannungs- und Stromwerte sowie ultraschnelle Schaltvorgänge in einem kleinen, seriennah herstellbaren Gehäuse.
Eine klügere Methode, mehr Leistung aus Bestehendem zu holen
Die Nachfrage nach Elektrizität wächst schnell. Rechenzentren, die künstliche Intelligenz betreiben, elektrische und hybride Fahrzeuge sowie die moderne Fertigung gehören zu den wichtigsten Treibern dieses Wachstums. Neue Erzeugungs- oder Übertragungsinfrastrukturen zu bauen, ist teuer und zeitaufwändig. Deshalb können Komponenten, die Strom effizienter nutzen, überproportionalen Einfluss auf das Energiesystem haben und kurzfristig erhebliche Einsparungen ermöglichen.
ULIS geht das Problem an, indem es das Herz der Energieumwandlung neu denkt: das Modul, das den Stromfluss zwischen Quelle und Verbraucher steuert. Für etwa 1.200 Volt und 400 Ampere ausgelegt, bietet dieses auf Siliziumkarbid basierende Modul eine deutlich höhere Leistungsdichte und Schaltgeschwindigkeit als frühere Designs. Die Entwickler geben an, dass ULIS etwa das Fünffache der nutzbaren Energiedichte älterer Leistungsmodule liefern kann und dabei weniger Platz beansprucht — Eigenschaften, die es für Rechenzentren, das Stromnetz, kompakte Reaktoren sowie schwere Plattformen wie elektrische Flugzeuge und militärische Fahrzeuge attraktiv machen.
Warum niedrige parasitäre Induktivität zählt
Eine der technischen Neuerungen von ULIS ist seine außergewöhnlich niedrige parasitäre Induktivität. Parasitäre Induktivität ist ein ungewollter Widerstand gegen schnelle Stromänderungen; in Leistungswandlern begrenzt sie die Schaltgeschwindigkeit und erhöht Energieverluste, Abwärme sowie mechanische und elektrische Belastungen der Bauteile. Indem ULIS diese parasitäre Induktivität um den Faktor sieben bis neun gegenüber führenden Siliziumkarbid-Modulen verringert, kann das Modul Ströme deutlich schneller schalten und dabei wesentlich geringere Verluste erzeugen.
Schnellere Schaltvorgänge und geringere Verluste führen direkt zu höherer Effizienz: dieselbe zugeführte Energie ergibt mehr nutzbare Ausgangsleistung. Bei Hochleistungsanwendungen, bei denen Millisekunden oder sogar Mikrosekunden entscheidend sind, ermöglicht die präzise Stromsteuerung von ULIS kompaktere, leichtere und wirtschaftlichere Wandler. Das reduziert nicht nur Material- und Kühlaufwand, sondern kann auch die Lebensdauer kritischer Komponenten verlängern.
Faisal Khan, NRELs leitender Forscher für Leistungselektronik und Hauptverantwortlicher des Projekts, beschreibt ULIS als ein praktisch zukunftssicheres, ultraschnelles Modul, das die nächste Konvertergeneration sowohl erschwinglich als auch kompakt machen soll. Außerdem überwacht das Modul kontinuierlich seinen Zustand und kann Ausfälle von Komponenten vorhersagen — eine Form der eingebetteten Zuverlässigkeit, die besonders für Luftfahrt- und Militäranwendungen wertvoll ist, wo vorbeugende Wartung lange Ausfallzeiten verhindert.
Vom 3D-Gedanken zur 2D-Durchbruch: ein technisches Facelifting
Ein Großteil der Neuheit von ULIS resultiert aus einem radikalen Umdenken bezüglich der Modularchitektur. Konventionelle Module verstauen Halbleiterbauelemente in einem ziegelähnlichen Gehäuse. Das NREL-Team hat diesen voluminösen Ansatz verworfen und Schaltungen stattdessen um eine abgeflachte, achteckige Scheibe gelegt. Dieses nahezu zweidimensionale Layout erlaubt es, deutlich mehr Bauteile auf kleinerer Fläche unterzubringen und bietet Strompfade, die das Magnetfeld gegenseitig auslöschen — ein Grund, warum die parasitäre Induktivität so stark abfällt.
Design-Iterationen reichten von blütenblattähnlichen Konfigurationen bis zu hohlen Zylindern, doch Fertigungsaufwand und Kosten zwangen das Team wiederholt zur Anpassung. Eine nahezu flache, pfannkuchenartige Architektur erwies sich als Sweet Spot: leicht herzustellen, kostengünstig auf verbreiteten Maschinen zu fertigen und elektrisch leistungsfähig. Die Teammitglieder Shuofeng Zhao und Sarwar Islam führten die Architektur- und Layoutentscheidungen, wobei sie Schaltungs-Komplexität und Herstellbarkeit sorgfältig austarierten, um ein industriell praktikables Produktbild zu erreichen.
Technisch gesehen reduziert die zweidimensionale Anordnung Schleifenflächen und verkürzt Leiterbahnen, was sowohl die Selbstinduktivität als auch die gegenseitige Induktivität minimiert. Das verbessert die Spannungsstabilität während Schaltvorgängen und reduziert Überspannungsphänomene, die sonst teure Schutzmaßnahmen wie Snubber oder gedämpfte Gate-Treiber erfordern würden. Für Systemingenieure bedeutet das weniger Aufwand beim Layout der Peripherie und bessere Skalierbarkeit in Serienproduktion.
Materialien und Fertigung: leichter, günstiger und modular
Über die Geometrie hinaus ersetzt ULIS starre, schwere Substrate durch einen flexibleren Materialaufbau. Während herkömmliche Module Kupferfolien an keramische Träger schweißen oder löten, verbindet ULIS Kupfer mit einem Polymer namens Temprion und erzeugt so einen dünneren, leichteren Kern, der dennoch gut leitet und Temperaturbelastungen standhält. Das Druck- und Wärmeplegematerial-Verfahren ist mit einfacheren Werkstattwerkzeugen kompatibel und reduziert die Herstellungskosten von mehreren Tausend auf einige Hundert Dollar pro Modul in Prototypen- und Kleinserien.
Innovationen in der Fertigung waren entscheidend für den Erfolg. NREL-Ingenieure entwickelten Herstellschritte und Werkzeuge, mit denen komplexe Architekturen auf vorhandenen Laborgeräten bearbeitet werden können. Das senkt die Eintrittsbarriere für Hersteller und ermöglicht eine schnellere Skalierung: Prozesse, die früher exotische Anlagen erforderten, lassen sich nun mit verbreiteten Maschinen reproduzieren. Dadurch wird ULIS nicht nur technisch interessant, sondern auch ökonomisch realisierbar für eine breite Industrieadoption.
Zusätzlich erleichtert die modulare Stapelbarkeit des Aufbaus die Integration in unterschiedliche Gehäusegrößen und Wärmeführungskonzepte — sei es für luftgekühlte Server-Racks oder flüssigkeitsgekühlte Avionikmodule. Die Materialwahl beeinflusst zudem die thermische Kapazität und die Zuverlässigkeit unter Zyklusbelastung; Temprion in Kombination mit optimierten Kupferdicken bietet hier einen günstigen Kompromiss zwischen Leitfähigkeit und mechanischer Flexibilität.
Wireless, modular und zukunftssicher
ULIS beinhaltet darüber hinaus eine neuartige, latenzarme drahtlose Steuer- und Überwachungsfunktion, die es erlaubt, das Modul wie einen isolierten Plug-and-Play-Baustein zu behandeln. Das Team hat ein Patent auf das Kommunikationsprotokoll beantragt, sodass ULIS in Systeme integriert werden könnte, ohne dass umfangreiche Steuerleitungen nötig wären. Denken Sie an stapelbare Leistungsbausteine in einem Server-Rack oder an den schnellen Austausch eines Konverters in einem line-replaceable Unit (LRU) eines Flugzeugs; die drahtlose Schicht vereinfacht Logistik und erhöht die Systemresilienz.
Das Design ist bewusst erweiterbar: Während die aktuelle Version Siliziumkarbid-Bauelemente nutzt, kann das Modul künftig auch neuere Weitband-Halbleiter wie Galliumnitrid (GaN) und schließlich Galliumoxid enthalten. Diese Skalierbarkeit hilft, das Konzept gegen zukünftige technologische Entwicklungen zu immunisieren und ermöglicht höhere Schaltfrequenzen, geringere Schaltverluste und weiter reduzierte passive Komponenten im System.
Wo ULIS den größten Unterschied machen könnte
Mehrere reale Anwendungsfelder können von der Kombination aus hoher Leistungsdichte, Schaltgeschwindigkeit und Zuverlässigkeit von ULIS profitieren. Die Einsatzszenarien reichen von Netzinfrastruktur über Luftfahrt bis zu energieintensiven Industrien:
- Modernisierung der Netzwandlung: Energie, die in das Netz eingespeist wird, muss häufig umgewandelt und konditioniert werden. Die schnelle und effiziente Schaltfähigkeit von ULIS kann den Anteil der als nutzbare Leistung gelieferten Energie erhöhen, Trafogrößen reduzieren und langfristig Wartungskosten senken, indem das Modul zuverlässig bei höheren Temperaturen betrieben werden kann.
- Kompakte elektrische Luftfahrt: Gewicht und Kühlung sind Hauptbeschränkungen für elektrische Senkrechtstarter (eVTOL) und fortschrittliche Flugzeuge. Ein kleineres, leichteres Leistungswandler-Modul mit geringeren Verlusten kann Reichweite und Nutzlast verbessern, ohne die gesamte Antriebsarchitektur neu zu entwerfen.
- Pulsleistung und Fusionskonzepte: Neue Ansätze wie kompakte Fusionsanlagen und gepulste Energiesysteme erfordern ultraniedrige Induktivitäten, um plötzliche, intensive Stromstöße zu steuern. ULIS' verlustarmes, kompaktes Design ist für solche Anwendungen besonders geeignet.
- Effizienz in Rechenzentren: Große Rechenzentren benötigen enorme Energiemengen für Rechenleistung und Kühlung. Effizientere Leistungswandler können Betriebskosten und CO2-Bilanz verringern, insbesondere dort, wo KI-Workloads Server maximal belasten.
Darüber hinaus gibt es Potenzial in der Elektromobilität (Ladeinfrastruktur, Onboard-Converters), in industriellen Antrieben (Elektromotorsteuerung) und in Modularstromversorgungen für militärische Systeme, wo Robustheit und schnelle Austauschbarkeit im Feld entscheidend sind.
Expertinnen- und Experteneinschätzung
Dr. Amanda Reyes, eine Systems-Ingenieurin für Leistungselektronik, die für Luftfahrtexperten berät, gab eine praxisnahe Einschätzung: ‚Was ein Gerät wie ULIS interessant macht, ist nicht ein einzelner Kennwert, sondern die Kombination: hohe Spannungs- und Stromfähigkeit, ultraschnelles Schalten, niedrige Induktivität und Herstellbarkeit. Man kann eine beeindruckende Laborvorführung haben oder etwas, das die Industrie in Serie fertigen kann. ULIS zielt auf beides ab. Für Luftfahrt- und Militärsysteme sind die eingebauten Diagnosen und die leichte Bauweise echte Wendepunkte.‘
Sie ergänzte aber eine Mahnung: ‚Die Integration in ein reales Produkt erfordert weitere Tests unter Vibration, Druckverhältnissen in großer Höhe und thermischen Zyklen. Die initiale Architektur sieht jedoch vielversprechend aus für eine schnelle Übernahme in Systemen, in denen Größe, Gewicht und Zuverlässigkeit kritische Parameter sind.‘
Wissenschaftlicher und technischer Kontext für Nicht-Spezialisten
Um zu verstehen, warum ULIS relevant ist, hilft es, einige Grundlagen zu kennen. Leistungswandler transformieren Elektrizität von einer Form in eine andere — etwa durch Anpassung von Spannung, Frequenz oder durch Umwandlung zwischen Wechsel- und Gleichstrom. Die Geschwindigkeit, mit der die Schalter innerhalb eines Wandlers den Zustand ändern, bestimmt Effizienz und Größe des Systems. Schnellere Schaltvorgänge erlauben in der Regel kleinere magnetische Bauelemente und Kondensatoren, bringen aber technische Herausforderungen wie Spannungsüberschwinger und elektromagnetische Störungen mit sich. Parasitäre Induktivität verschärft diese Probleme und erzwingt oft aufwändige Gegenmaßnahmen.
Weitband-Halbleiter wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) tolerieren höhere Spannungen, arbeiten bei höheren Temperaturen und schalten schneller als herkömmliches Silizium. Die Kombination dieser Bauteile mit einem ultra-niedriginduktiven Layout sowie einer Architektur, die für Serienfertigung optimiert ist, erschließt Leistungsniveaus, die bislang teuren, kundenspezifischen Lösungen vorbehalten waren.
Kurz zusammengefasst: Die Materialien ermöglichen höhere Performance, das Layout verhindert, dass diese Vorteile durch parasitäre Effekte aufgezehrt werden, und die Fertigungsentscheidungen bestimmen, ob die Industrie die Module tatsächlich in großen Stückzahlen und zu wettbewerbsfähigen Kosten produzieren kann.
Nächste Schritte und Aussichten
NREL hat ULIS-Prototypen im Labor gebaut und getestet und arbeitet nun an Demonstrationen in repräsentativen Umgebungen. Die Roadmap umfasst umfangreichere Zuverlässigkeitstests, Integration mit Wandlern in Partnersystemen sowie die Skalierung der Fertigungswege für kommerzielle Lieferketten. Wenn diese Schritte reibungslos verlaufen, könnten ULIS oder ULIS-inspirierte Designs innerhalb weniger Jahre in Servern der nächsten Generation, Prototypen elektrischer Flugzeuge und Netzkonvertern auftauchen.
Breiter betrachtet zeigt das ULIS-Projekt einen praktischen Weg, die Kluft zwischen wachsender Stromnachfrage und verfügbarer Übertragungsinfrastruktur zu schließen: Konversions-Effizienz verbessern, Leistungselektronik verkleinern und diese Verbesserungen bezahlbar und serienfähig machen. Diese Kombination ist zwar weniger spektakulär als der Bau eines neuen Kraftwerks, kann aber sofortige Gewinne in vielen Sektoren bringen, die zusammen große Anteile des weltweiten Stromverbrauchs ausmachen.
Wo wird ULIS zuerst sichtbar sein? Zunächst sind Tests in hochwertigen, anspruchsvollen Anwendungen wie Luftfahrt und Verteidigung zu erwarten, gefolgt von Pilotprojekten in Rechenzentren und Netzrand-Systemen. Daraus könnten durch Kostenreduktionen und Skaleneffekte breitere Anwendungen in Verkehr und industriellen Motoren entstehen — Bereiche, in denen schon wenige Prozentpunkte Effizienzsteigerung große wirtschaftliche und klimabezogene Vorteile bringen.
Quelle: scitechdaily
Kommentar hinterlassen