Neuartige Wechselrichter behalten einen kühlen Kopf

19.04.2024 Quelle: Fraunhofer IZM 4 min Lesedauer

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Dauerlastfähige Wechselrichter, wie sie am Fraunhofer IZM entwickelt wurden, ermöglichen deutliche Leistungssteigerung elektrischer Antriebe.

(Bild: Fraunhofer IZM)

Um den Ausstieg aus fossilen Energieträgern weiter voranzutreiben, sind effiziente Antriebsstränge für Elektrofahrzeuge von großer Bedeutung, erklären Experten vom Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM. Ihre Leistungsfähigkeit sei allerdings sehr von den thermischen Eigenschaften der verbauten Komponenten abhängig. Außer der Batterie und dem Motor ist vor allem die thermische Performance des Wechselrichters für einen möglichst hohen Wirkungsgrad wichtig. Er wandelt dabei den Gleichstrom der Batterie in den von elektrischen Motoren benötigten Wechselstrom um. Er versorgt also die gesamte Antriebseinheit mit Energie. Überhitzende Komponenten limitieren aber, wie gesagt, die Leistungsfähigkeit von Antriebssträngen bei Elektrofahrzeugen erheblich. Wechselrichtern wärmen sich dabei stark auf, weshalb sie unter hohem Energieaufwand aktiv gekühlt werden müssen. Im Projekt Dauerpower entwickelt das Fraunhofer IZM zusammen mit Projektpartnern aus der Autoindustrie einen elektrischen Wechselrichter, der mit einem optimierten Kühlmanagement arbeitet. Er funktioniert damit bei einer geringeren Betriebstemperatur, wodurch es zu weniger Verlustleistung kommt. Außer einer längeren Volllastnutzung kann dadurch auch die benötigte Halbleiterfläche verringert werden, was die Kosten für die elektrische Mobilitätswende weiter senken kann, wie die Forscher sagen.

Transistoren aus hitzeresistentem Siliziumkarbid

In Kooperation mit Porsche und Bosch entwickelt das IZM jetzt einen kompakten 3-phasigen Antriebswechselrichter mit einer hohen Dauerleistung von 720 Kilowatt und einem Nennstrom von 900 Ampère. Im Vergleich zu existierenden Wechselrichtern auf Siliziumbasis erhöhe sich die Leistung damit zwischen 20 und 30 Prozent. Den Forscher gelang diese Steigerung der Leistungsdichte durch die thermische Optimierung fortschrittlichster Materialien und verbesserteb Embedding-Prozessen in der Fertigung. Das waren die Früchte vom Vorläuferprojekt „SICeffizient". Damit die passiven Bauteile eines Wechselrichters, wie Kondensatoren und Kupferelemente nicht durch Hitze beschädigt werden, drosseln herkömmliche Systeme ihre Maximalleistung im Dauerbetrieb. Dieser Prozess nennt sich auch „Derating". Chips aus Siliziumkarbid erlauben bei gleichbleibender Leistung nun aber eine kleinere Kühlfläche, wodurch im Vergleich zu Siliziumchips Halbleitermaterial eingespart werden kann, ohne Leistungseinbußen befürchten zu müssen.

Kompakte Wechselrichter arbeiten „entspannter"

Das vom Fraunhofer IZM entwickelte System nutzt moderne Transistoren aus Siliziumkarbid, die im Vergleich zu reinem Silizium also einen höheren Wirkungsgrad sowie eine höhere Temperaturbeständigkeit haben. Zwei dieser Siliziumkarbidtransistoren werden am IZM in einem innovativen „Pre Packaging"-Verfahren direkt auf ein Keramiksubstrat aufgebracht. Diese Pre Packages könnten dann flexibel in übliche Leiterplatten eingebettet werden. Durch die dünne Bauweise und die Materialersparnis vermindern sich mechanische Spannungen. Das Verformungsverhalten bei Hitze wird außerdem einheitlicher. Außerdem kann der knappe Bauraum durch die segmentierten Keramiksubstrate optimal ausgenutzt werden, um die spezifischen Anforderungsprofile der Fahrzeugindustrie optimal bedienen zu können, wie die Forscher betonen.

Inhalt des Artikels:

• Seite 1: Neuartige Wechselrichter behalten einen kühlen Kopf
• Seite 2: Kühlende Kupferelmente aus dem 3D-Drucker

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