Das Fraunhofer Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM hat den Wechselrichter für Elektromobile weiter entwickelt. Hintergrund ist, so das Institut, dass Drehstrom meist für Elektromotoren als Antrieb dient, und zwar Dreiphasenwechselstrom. Das gelte auch für aktuelle Elektroautos, deren Batterien die Energie allerdings als Gleichstrom bereitstellen. Für die Umwandlung in Drehstrom sorge der Wechselrichter. Unter der Motorhaube eines Elektroautos ist der verfügbare Platz allerdings begrenzt.

Die Gruppe Power Electronic Systems des Fraunhofer IZM habe auf diesem Feld neue Maßstäbe gesetzt. Im Auftrag von Mitsubishi Heavy Industries (MHI) entwickelten Wiljan Vermeer und seine Kolleg*innen vom Fraunhofer IZM einen kostengünstigen Wechselrichter, der bei einer Effizienz von 99 Prozent ganze 0,5 Megawatt Leistung liefert (knapp 680 PS), aber nur einen Liter Volumen beansprucht.

“Durch die Kombination innovativer Leistungsmodul-, Kondensator- und Kühlkonzepte hebt unser Wechselrichter die 800-V-Antriebstechnik auf ein neues Level. Mit 500 Kilowatt, also 0,5 Megawatt pro Liter, sind die gängigen Alternativen um das Fünffache übertroffen, die bisherige Spitzentechnologie um das Zweieinhalbfache. Die Effizienz von 99 Prozent setzt ebenfalls neue Maßstäbe – bei zugleich moderaten Herstellungskosten für dieses zukunftsweisende Gesamtpaket”, resümiert die Forschungseinrichtung.

Für den Erfolg der Entwicklung seien vier Faktoren verantwortlich. Es beginne mit dem Leistungsmodul, das in dreifacher Ausführung zum Einsatz komme, je eins pro Phase. Sie seien durch einen RC-Dämpfer vom Zwischenkreiskondensator entkoppelt, um unerwünschte Schwingungen und andere Nebeneffekte zu reduzieren. In jedem Modul sitzen zwölf Siliziumkarbid-Schalter.

Das Ergebnis seien äußerst kompakte Module mit einer extrem kleinen elektromagnetischen Grundfläche. Das führe zu einer effektiven Induktivität von einem Nanohenry – so niedrig, dass die Schaltgeschwindigkeit nicht begrenzt und ein Schalten mit 63 Volt pro Nanosekunde möglich werde. Da dieses schnelle Schalten mit wenig Verlusten einhergeht, sei vergleichsweise wenig Kühlleistung erforderlich.

Kostenarmer Aluminiumkühler

Dies sei der zweiter Aspekt: Unter den drei Modulen sitze ein flacher, stranggepresster Aluminiumkühler. Sein niedriger Aufbau spart nicht nur viel Platz, sondern erlaube zugleich einen kurzen thermischen Pfad vom Halbleiter zum Kühlmittel. Im Inneren verlaufen über 40 dünne, leicht gewellte Stege, die dem durchfließenden Kühlmittel ausreichend Berührungsfläche zum Wärmeaustausch bieten. Aluminium überzeuge durch geringe Materialkosten und eine wirtschaftliche Herstellung im Strangpressverfahren. In nur einem Produktionsschritt entsteht so der komplette Kühlkörper – ein Design, das sowohl Platz als auch Kosten spare.

Als Drittes komme das Laserschweißen als Verbindungstechnik ins Spiel. „Die Kontaktpunkte der Stromschienen sind so geformt, dass wir sie per Laser direkt auf die Leiterplatte schweißen können. Schraubverbindungen entfallen damit. Sie würden nicht nur mehr Raum beanspruchen, sondern auch die Induktivitäten erhöhen“, so Wiljan Vermeer.

Der vierte Kunstgriff betreffe die Technologie und die Anordnung der Zwischenkreiskondensatoren, die die Leistung der Module puffern. In Zusammenarbeit mit der Firma PolyCharge wurden deren NanoLam-Kondensatoren speziell für diesen Zweck konfiguriert. Sechs Kondensatoren sind gemeinsam mit den Stromschienen so nebeneinander angeordnet, dass der Gleichstrom-Zwischenkreis trotz seiner Kapazität von 300 Mikrofarad auf eine Gesamtinduktivität von nur zwei Nanohenry kommt.

Die Nano-Technologie der Kondensatoren erlaube eine sehr hohe Leistungsdichte, gehe jedoch mit erhöhten thermischen Verlusten einher – eine weitere Herausforderung für die Kühlung. „Die Kupferanschlüsse der elektrischen Kontakte dienen dabei gleichzeitig für eine bessere Ableitung der Wärme“, so Vermeer. „Wir haben sie so konzipiert, dass die elektrischen Verbindungen die schlechte Wärmeleitung ausgleichen und die Wärme sowohl horizontal als auch vertikal gleichmäßig verteilen. Die Kondensatoren sind zwar für eine Maximaltemperatur von 150°C ausgelegt, wir haben sie aber auf 130°C begrenzt, um ihre Zuverlässigkeit zu erhöhen.“

Nach konventionellen Maßstäben ist das noch immer ein sehr hoher Wert. Die überschüssige Wärme werde aber auf kurzem Weg an den oben beschriebenen Aluminium-Kühler geleitet, über den auch die Wärme der Leistungsmodule abfließt. Dafür ist die Kondensatoren-Einheit unter dem Aluminium-Kühler platziert und innerhalb des Gehäuses integriert, was den benötigten Raum abermals verkleinert.

Quelle: Fraunhofer IZM | www.solarserver.de © Solarthemen Media GmbH