A demanda global por eletricidade está crescendo rapidamente. Data centers famintos por energia que suportam a inteligência artificial, juntamente com a expansão da manufatura, estão exercendo uma pressão sem precedentes sobre os sistemas de energia em todo o mundo. Atender a essa demanda exigirá mais do que simplesmente gerar eletricidade adicional.
Uma solução promissora é usar os suprimentos de energia existentes de maneira muito mais eficiente e a um custo mais baixo.
Uma Nova Abordagem para Eficiência Energética
Pesquisadores do Laboratório Nacional de Energia Renovável (NREL) desenvolveram um novo módulo de potência baseado em carbeto de silício projetado para melhorar drasticamente como a eletricidade é convertida e entregue. Um módulo de potência é a estrutura que contém eletrônicos de potência, que regulam o fluxo de eletricidade entre os sistemas. Este novo design oferece eficiência recorde, maior densidade de potência e um processo de fabricação que mantém os custos baixos.
A tecnologia é conhecida como Módulo de Potência Inteligente de Indutância Ultra Baixa do NREL, ou ULIS. Ao usar semicondutores de carbeto de silício, o ULIS pode alcançar cinco vezes a densidade de energia de designs anteriores, ocupando menos espaço. Essa combinação permite que os fabricantes construam equipamentos que são menores, mais leves e mais eficientes em termos de energia. O módulo de 1200 volts e 400 amperes é bem adequado para data centers, redes elétricas, microreatores e plataformas pesadas, como aeronaves de última geração e veículos militares.
Por que a Indutância Ultra Baixa é Importante
Uma das principais vantagens do ULIS é sua indutância parasita excepcionalmente baixa, que se refere à resistência que desacelera as mudanças na corrente elétrica e limita a conversão eficiente de energia. O ULIS reduz essa resistência em sete a nove vezes em comparação com os módulos de potência de carbeto de silício mais avançados de hoje.
Como o sistema pode alternar a corrente elétrica de forma extremamente rápida e eficiente, ele converte mais da eletricidade disponível em energia utilizável. Essa capacidade permite que o ULIS extraia significativamente mais valor da mesma fonte de energia, tornando-se um forte candidato para atender às crescentes necessidades energéticas globais.
“Consideramos o ULIS uma verdadeira inovação”, disse Faisal Khan, pesquisador-chefe de eletrônica de potência do NREL e investigador principal do projeto. “É um módulo de potência ultrarrápido e à prova de futuro que tornará a próxima geração de conversores de energia mais acessíveis, eficientes e compactos.”
Projetado para Confiabilidade em Condições Extremas
O ULIS é projetado não apenas para eficiência, mas também para confiabilidade em ambientes exigentes. Segundo Khan, o módulo, leve e poderoso, pode monitorar sua própria condição e antecipar falhas de componentes antes que elas aconteçam.
Esse recurso é especialmente crítico para aplicações de alto risco, como aviação e operações militares. Para aeronaves operando a 30.000 pés ou veículos navegando em zonas de combate, a detecção precoce de falhas pode ser a diferença entre o sucesso da missão e perdas catastróficas.
“O ULIS foi um esforço verdadeiramente orgânico, desenvolvido inteiramente internamente aqui no NREL”, disse Khan. “Estamos muito empolgados em demonstrar suas forças em ambientes do mundo real.”
Uma Redesign Radical para Fabricação de Baixo Custo
Grande parte dos ganhos de desempenho do ULIS vem de um novo design físico completamente diferente.
Módulos de potência tradicionais empilham dispositivos semicondutores dentro de pacotes semelhantes a caixas. O ULIS, em vez disso, organiza seu circuito em um layout octogonal plano. Essa estrutura em forma de disco acomoda mais componentes em um espaço menor, reduzindo tanto tamanho quanto peso. Ao mesmo tempo, seu roteamento de corrente inovador minimiza a interferência magnética, o que ajuda a fornecer uma saída elétrica mais limpa e maior eficiência geral.
“Nossa maior preocupação era que o dispositivo desligasse e ligasse muito rapidamente, e precisávamos de um layout que não criasse um ponto de estrangulamento dentro do design”, disse Shuofeng Zhao, um pesquisador de eletrônica de potência do NREL que projetou a arquitetura de cancelamento de fluxo do ULIS.
Conceitos iniciais exploraram formas tridimensionais complexas, incluindo designs que lembram flores ou cilindros ocos. No entanto, essas ideias se mostraram muito caras ou difíceis de fabricar. A inovação ocorreu quando a equipe simplificou o conceito em uma estrutura quase bidimensional. Sarwar Islam, outro pesquisador de eletrônica de potência do NREL, propôs o design achatado que equilibrou desempenho, custo e fabricabilidade.
“Nós o achatamos, como uma panqueca,” disse Zhao, “e de repente tínhamos um design de baixo custo e alto desempenho que era muito mais fácil de fabricar.”
Joshua Major, também parte da equipe de eletrônica de potência do NREL, desenvolveu novos métodos de fabricação que permitiram que a estrutura intricada fosse produzida usando apenas ferramentas e instalações internas. O resultado foi um design que combinou as vantagens elétricas dos sistemas tridimensionais com a praticidade da fabricação plana.
Materiais Flexíveis e Controle Sem Fios
O ULIS também se distingue por seu uso de materiais convencionais. Módulos de potência tradicionais ligam cobre diretamente a bases de cerâmica rígida para conduzir eletricidade e gerenciar calor. Apesar de eficaz, essa abordagem limita a flexibilidade.
Em vez disso, o ULIS liga cobre a um polímero flexível chamado Temprion. Essa mudança produz uma estrutura mais fina, leve e adaptável. O material se liga ao cobre usando apenas calor e pressão, e seus componentes podem ser usinados com equipamentos amplamente disponíveis. Como resultado, os custos de fabricação caem para centenas de dólares em vez de milhares.
Outro grande avanço permite que o ULIS opere sem fios. O módulo pode ser controlado e monitorado sem cabos físicos, funcionando como uma unidade autônoma. Esse design modular, semelhante a peças de Lego, permite que seja integrado em uma ampla gama de sistemas, desde servidores de data centers a aeronaves avançadas e veículos militares. Uma patente para o protocolo de comunicação sem fio de baixa latência, liderada por Sarwar Islam, está atualmente pendente.
Projetado para Tecnologias Futuras
Embora o ULIS atualmente dependa de semicondutores avançados de carbeto de silício, o design foi intencionalmente construído para evoluir. O módulo pode ser adaptado para futuros materiais semicondutores, incluindo nitreto de gálio e óxido de gálio, que ainda não chegaram ao uso comercial.
Juntas, essas inovações apoiam um objetivo central. À medida que as sociedades se tornam cada vez mais dependentes de eletricidade confiável, o ULIS foi projetado para oferecer eficiência sem sacrificar a confiabilidade.
Onde o ULIS Poderá Fazer a Maior Diferença
Espera-se que o ULIS tenha um amplo impacto em diversos setores.
Na rede elétrica dos EUA, a eletricidade deve ser convertida em formas utilizáveis antes de chegar aos consumidores. Esse processo muitas vezes depende de equipamentos grandes e de baixa frequência que desperdiçam energia. A comutação rápida do ULIS melhora a eficiência, enquanto sua capacidade de tolerar altas temperaturas pode reduzir os custos de manutenção a longo prazo.
Na aviação, a capacidade do módulo de mover eletricidade rapidamente e conservar energia permite conversores mais leves e poderosos. Isso pode ajudar a tornar aeronaves elétricas de decolagem e pouso verticais (eVTOL) mais práticas e comercialmente viáveis.
O ULIS também poderá desempenhar um papel em futuros sistemas de energia de fusão. Embora a fusão comercial ainda esteja em desenvolvimento, esses sistemas exigirão componentes de potência pulsada compactos e confiáveis. A indutância ultrabaixa e o design durável do ULIS o tornam bem adequado para esse desafio.
À medida que as indústrias buscam eletricidade mais confiável, inteligência artificial avançada e veículos de última geração, o ULIS já está disponível para licenciamento.
