Dauerlastfähige Wechselrichter für elektrische Antriebe

Effiziente Antriebsstränge sind für Elektrofahrzeuge von großer Bedeutung. Deren Leistungsfähigkeit ist allerdings in erheblichem Maße von den thermischen Eigenschaften der verbauten Komponenten abhängig. Neben Batterie und Motor ist vor allem die thermische Performance des Wechselrichters wichtig für einen möglichst hohen Wirkungsgrad: Er wandelt den Gleichstrom der Batterie in den von elektrischen Motoren benötigten Wechselstrom um und versorgt die gesamte Antriebseinheit mit Energie.

In Kooperation mit Porsche und Bosch entwickelt das Fraunhofer IZM jetzt einen kompakten dreiphasigen Antriebswechselrichter mit einer Dauerleistung von 720 kW beziehungsweise 979 PS und einem Nennstrom von 900 A. Gegenüber existierenden Wechselrichtern auf Siliziumbasis verspricht dieser Ansatz eine Leistungssteigerung zwischen 20 und 30 Prozent.

Transistoren aus hitzeresistentem Siliziumkarbid

Damit Hitze die passiven Bauteile eines Wechselrichters wie Kondensatoren und Kupferelemente nicht beschädigt, drosseln herkömmliche Systeme die Maximalleistung im Dauerbetrieb. Dieser Prozess nennt sich auch Derating. Chips aus Siliziumkarbid erfordern eine kleinere Kühlfläche bei gleicher Leistung, was Halbleitermaterial einspart und zu einer längeren Volllastnutzung führt.

Das vom Fraunhofer IZM entwickelte System nutzt deshalb Transistoren aus Siliziumkarbid mit einem höheren Wirkungsgrad und höherer Temperaturbeständigkeit als reines Silizium. Zwei dieser Transistoren bringen die Forscher in einem Pre-Packaging-Verfahren direkt auf ein Keramiksubstrat auf. Diese Pre-Packages lassen sich dann flexibel in herkömmliche Leiterplatten einbetten. Durch die dünne Bauweise und reduzierte Materialmenge gibt es weniger mechanischen Stress und ein einheitlicheres Verformungsverhalten bei Hitzeeinwirkung. Außerdem nutzen die segmentierten Keramiksubstrate den knappen Bauraum optimal aus.

Kupfer-Kühlelemente aus dem 3D-Drucker

Darüber hinaus beschäftigten sich die Forscher mit der Kühlung der einzelnen Bauteile. Denn je besser die Kühlwirkung, desto weniger teures Halbleitermaterial ist benötigt, da die Anordnung der Chips noch kompakter sein kann. Ziel ist eine hohe thermische Integration sowohl der verschiedenen Halbleiterelemente als auch der passiven Bauteile wie Kondensatoren und Kupferleiter. Dazu werden die temperaturkritischen Komponenten über Silbersinterverbindungen direkt an das Kühlsystem angeschlossen und bestmöglich thermisch integriert: Durch eine parallele Anordnung erreicht die Kühlflüssigkeit alle Kühlkörper und angeschlossenen Halbleiterelemente gleichzeitig und die thermische Energie wird gleichmäßig abgeführt. Zur Herstellung der Kühlelemente kommt außerdem erstmals Kupfer im 3D-Druckverfahren zum Einsatz. So lässt sich die hervorragende Wärmeleitfähigkeit von Kupfer mit der Flexibilität beim 3D-Drucken kombinieren, anstatt wie zuvor nur auf Kühlkörper aus Aluminium zuzugreifen. Im Vergleich zu CNC-Fräsverfahren erlaubt der 3D-Druck mehr Freiheit bei der Gestaltung des Kühlkanals und damit eine optimale Ausnutzung des Bauraums.

Hohe Modularität des Prototypen

Neben Fortschritten bei Material und Produktionsprozessen konnten die Wissenschaftler für den Prototypen auch eine höhere Modularität der einzelnen Elemente erreichen. Basierte das im Vorläuferprojekt angedachte Konzept noch auf einer Lösung, bei der alle Komponenten fest miteinander verbunden sind, lassen sich die Elemente des Wechselrichters nun als Teilmodule leicht austauschen und reparieren.

Nach einer Simulationsphase befindet sich der Prototyp aktuell im Aufbau und soll schließlich bei Porsche einen umfangreichen Prüfprozess durchlaufen, um eines Tages auch in die Serienproduktion einzugehen. Das Projekt Dauerpower mit den Partnern Fraunhofer IZM, Porsche sowie Robert Bosch startete 2021 und erhielt eine Förderung durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz in Höhe von 1,2 Millionen Euro.