Da der weltweite Strombedarf aufgrund der Expansion von KI-Rechenzentren und der Fertigungsindustrie schnell steigt, wird die Frage, wie man bestehende Energie effizienter und kostengünstiger nutzen kann, entscheidend. Kürzlich haben Forscher des National Renewable Energy Laboratory eine innovative Lösung vorgeschlagen.
Die Einrichtung hat ein neuartiges, auf Siliziumkarbid basierendes Leistungsmodul entwickelt, das „Ultra-Low Inductance Smart Power Module“ (ULIS) genannt wird. Durch die Verwendung von Siliziumkarbid-Halbleitern erreicht das Modul im Vergleich zu älteren Designs eine fünffache Leistungsdichte bei gleichzeitig kleinerer Bauform. Seine Spezifikationen von 1200 Volt und 400 Ampere machen es für schwere Plattformen wie Rechenzentren, Stromnetze, Mikroreaktoren sowie die nächste Generation von Luftfahrzeugen und Militärfahrzeugen geeignet.
Der Kernvorteil des Moduls liegt in seiner extrem geringen parasitären Induktivität, die sieben- bis neunmal niedriger ist als bei den derzeit fortschrittlichsten Siliziumkarbid-Leistungsmodulen. Dies ermöglicht eine schnellere und effizientere Stromschaltung und wandelt so mehr verfügbare elektrische Energie in effektive Leistung um. Der leitende Forscher des Projekts, Faisal Khan, Leiter der Forschung für Leistungselektronik am NREL, sagte: „Wir halten ULIS für einen echten Durchbruch. Es ist ein zukunftsweisendes, ultraschnelles Leistungsmodul, das die Stromwandler der nächsten Generation wirtschaftlicher, effizienter und kompakter machen wird.“
Neben der hohen Effizienz legt ULIS auch Wert auf Zuverlässigkeit unter anspruchsvollen Bedingungen. Das Modul kann seinen eigenen Zustand überwachen und vor Ausfällen warnen, was besonders für Hochrisikoanwendungen wie Luftfahrt und Militär wichtig ist. Faisal Khan sagte: „ULIS wurde vollständig intern und autonom am NREL entwickelt, und wir freuen uns sehr darauf, seine Vorteile in realen Umgebungen zu demonstrieren.“
Um eine kostengünstige Fertigung zu ermöglichen, hat das Team das Modul physikalisch komplett neu aufgebaut. Herkömmliche Leistungsmodule stapeln Halbleiterbauelemente in einem kastenartigen Gehäuse, während ULIS eine flache, achteckige Anordnung verwendet und die Struktur wie einen „Pfannkuchen“ flachdrückt. Dieses Design reduziert gleichzeitig Volumen und Gewicht und verringert durch innovative Strompfadgestaltung magnetische Störungen. Der Leistungselektronik-Forscher Shuofeng Zhao erklärte die Entwurfsabsicht: „Unsere größte Sorge war, dass die Geräte extrem schnell schalten, und wir brauchten ein Layout, das keine internen Engstellen erzeugt.“ Teammitglied Savar Islam schlug eine flache Lösung vor, die Leistung, Kosten und Herstellbarkeit in Einklang bringt, und ein anderes Mitglied, Joshua Major, entwickelte den entsprechenden internen Fertigungsprozess.
Materialseitig verwendet ULIS ein flexibles Polymer namens Temprion anstelle traditioneller, starrer Keramiksubstrate in Verbindung mit Kupfer, wodurch die Struktur dünner, leichter und anpassungsfähiger wird und die Herstellungskosten von Tausenden auf Hunderte von Dollar gesenkt werden. Darüber hinaus unterstützt das Modul drahtlose Steuerung und Überwachung, und sein Low-Latency-Drahtloskommunikationsprotokoll ist patentiert.
Obwohl es derzeit auf Siliziumkarbid basiert, ist das Design so ausgelegt, dass es mit zukünftigen Halbleitermaterialien wie Galliumnitrid oder Galliumoxid kompatibel ist. Die Forscher weisen darauf hin, dass die effiziente und schnelle Schaltung von ULIS in Stromnetzen die Energieeffizienz steigern und Wartungskosten senken könnte; in der Luftfahrt könnte es zur Praxistauglichkeit von elektrischen Senkrechtstart- und -landeflugzeugen (eVTOL) beitragen; es könnte auch für kompakte gepulste Leistungskomponenten geeignet sein, die für zukünftige Fusionsenergiesysteme benötigt werden.
Angesichts des Strebens verschiedener Branchen nach zuverlässiger Stromversorgung, fortschrittlicher KI und Fahrzeugen der nächsten Generation ist diese neuartige Siliziumkarbid-Leistungsmodul-Technologie, die darauf abzielt, die Energieeffizienz zu steigern, nun für Lizenzierungen verfügbar.
Veröffentlichungsdetails: Autor: Anna Squires. , Titel: „Dieses winzige Strommodul könnte verändern, wie die Welt Energie nutzt“, erschienen in: ScienceDaily, 19. Januar 2026.
