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3D列印催生高性能功率元件

上網時間: 2014年11月03日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:3D列印  電動車  電源逆變器  CAD  DC-DC轉換器 

3D 列印機曾經是一種玩具,接著成為新奇的玩意兒,如今則已經是一項重要的原型工具了。美國橡樹嶺國家實驗室(ORNL)認為, 3D 列印機最終將成為裝配線上的製造工具,目前正打造一系列的 IP 組合,從而為即將來臨的 3D 時代做好準備。

「我們希望在這幾年內就會有人想出大量生產 3D 列印機設計的辦法,」橡樹嶺國家實驗室的Madhu Chinthavali表示。他是ORNL電力電子與電機部門首項完成的 3D 計劃「電動車3D列印電源逆變器」的負責人。

車載電源逆變器可將電池的直流電轉換成電動車馬達所使用的交流電;這是因為ORNL使用寬能隙的碳化矽(SiC)材料,在減輕重量與體積時,也提高了功率密度。透過瞭解以 3D 列印這類元件的優點與缺點,ORNL希望累積專利使其於如何善用 3D 列印解決現實世界問題方面位居主導地位。

ORNL以3D列印的30kW車載電源逆變器
橡樹嶺國家實驗室採用3D列印的30kW車載電源逆變器,可在緊密封裝中提供更高的可靠性與功率。
(來源:ORNL)

「我想最先實現這項目標,」Chinthavali表示,「最後,我們還希望把用戶想要的規格都加進我們的 CAD 檔案中,為他們列印出一個完整的逆變器。」

橡樹嶺國家實驗室聲稱,他們所採用的設計並不能以其他任何方式製造,因為它使用複雜的幾何學來提高功率密度以及降低重量,以便能將一個30kW的逆變器封裝進你的手掌大小的空間中。

「逆變器內部的一些元件是不能以其他方式製造的,」Chinthavali說:「這種逆變器結合了碳化矽以及鍺半導體,這是使其得以與眾不同」

Chinthavali並未透露所使用的 3D 印表機品牌,但他坦承得用好幾種不同的積層材料技術來開發整個元件。積層製造也允許低溫元件靠近高溫元件放置,例如,最佳化散熱片以使該元件冷卻且變小。相較於採用一個大型電容的設計,該逆變器同時使用多個小型電容,以便於冷卻,同時進一步降低了尺寸。

Chinthavali的研究團隊也嘗試列印DC-DC轉換器。其終極目標在於100%列印出逆變器和其他元件,這表示未來也將能列印出半導體,「目前我們還無法達到100%列印目標,所以我們將會根據需求繼續整合,」Chinthavali表示。

Chinthavali的首款原型中有55%以上採用 3D 列印元件,實現99%的效率,但他的研究團隊終極目標是要找到如何100%生產 3D 元件的方法,並且以 3D 列印機來克服大規模生產的限制,期望在未來所有的東西都能以 3D 列印。

Chinthavali的下一款原型打算使用更多的 3D 列印元件,生產一款尺寸僅現有車載逆變器尺寸一半的30kW逆變器——較現有的原型更高4倍的功率密度。

參與這項計劃的研究人員包括Curt Ayers、Steven Campbell、Randy Wiles與Burak Ozpineci,並由美國能源部(DoE)能源效率和可再生能源辦公室提供贊助。

編譯:Susan Hong

(參考原文:3D Prints World's Best Inverter,by R. Colin Johnson)





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