Warum doppelseitige Kühlung E-Antriebe verändert

Leistungsmodule stellen das Herzstück der Umrichter moderner Elektro- und Hybridfahrzeuge dar. Sie übernehmen die Transformation des von der Traktionsbatterie bereitgestellten Gleichstroms in dreiphasigen Wechselstrom für den Antriebsmotor. Steigende Anforderungen an Effizienz, Leistungsdichte und Bauraumrestriktionen erfordern eine kontinuierliche Optimierung dieser Module. Insbesondere ein höherer Wirkungsgrad bei gleichzeitig reduzierten Abmessungen führt zu einer signifikanten Erhöhung der Stromdichte.

Der Einsatzbereich umfasst typischerweise Nennspannungen von 400 V und 800 V. Verwendet werden überwiegend Halbleiter mit großer Bandlücke, vor allem SiC-MOSFETs, die gegenüber klassischen Si-IGBTs niedrigere Schaltverluste und höhere Wirkungsgrade ermöglichen. Neben der elektrischen Performance stellt die Wärmeabfuhr die kritischste Kenngröße dar. Die Verlustleistung der Schalter – bestehend aus Leitungs- und Schaltverlusten – muss über mehrere Materialschichten hinweg abgeführt werden, deren thermische Widerstände sich addieren und somit die Wärmeabgabe limitieren.

Zudem erfordern fahrzeugseitige Integrationsbedingungen Module mit definierter Geometrie und elektrischer Anschlussarchitektur. Flexibilität hinsichtlich unterschiedlicher Chipkonfigurationen sowie Herstellerunabhängigkeit sind für OEMs zunehmend entscheidend. Vor diesem Hintergrund hat BorgWarner die Eagle-Delta-Plattform entwickelt, die für den überwiegenden Teil aktueller Elektrofahrzeuganwendungen ausgelegt ist.

Wie doppelseitige Kühlung den thermischen Widerstand halbiert

Ein wesentliches Designmerkmal der neuen Generation ist die konsequente Umsetzung einer doppelseitigen Kühlung (Double-Sided Cooling, DSC). Während herkömmliche Single-Sided-Cooling-Module (SSC) Wärme nur über eine Seite abführen, wird beim DSC-Prinzip die Verlustwärme gleichzeitig nach oben und unten abgegeben. Dies führt zu einer nahezu verdoppelten effektiven Kühlfläche, wodurch die Sperrschichttemperatur der Halbleiter signifikant sinkt. Der resultierende thermische Widerstand reduziert sich typischerweise um etwa 45 % im Vergleich zu SSC-Systemen.

Ein weiterer Innovationsschritt ist der Verzicht auf Drahtbondverbindungen. Diese galten in der Vergangenheit als Hauptursache für Ausfälle durch Delaminierung, Rissbildung oder Korrosion. Durch alternative Verbindungstechnologien steigt die Zuverlässigkeit signifikant, gleichzeitig lassen sich höhere Ströme sicher führen.

Die Vorteile des DSC-Konzeptes manifestieren sich in gesteigerter Stromdichte, erhöhter Lebensdauer der Bauelemente und einer insgesamt höheren Robustheit der Module. Insbesondere bei MOSFET-Strukturen, die Schaltverluste nahe der Oberfläche erzeugen, ermöglicht die beidseitige Wärmeabfuhr eine wesentlich schnellere und gleichmäßigere Temperaturverteilung.

Aufbau des Eagle-Delta-Moduls: Materialien, Klemmtechnik, Kühlkörper

Das Eagle-Delta-Modul besteht aus drei Halbbrücken-Schaltern der Viper-Serie, die beidseitig zwischen Kühlkörper eingespannt und durch ein Klemmsystem fixiert werden. Die Kühlkörper – wahlweise aus Aluminium oder Kupfer – sind über Dichtungen verbunden und bilden einen geschlossenen Kühlkreislauf.

Für die thermische Schnittstelle werden hochleitfähige Materialien mit minimaler Schichtdicke eingesetzt, darunter metallische Verbindungen und wärmeleitfähige Elastomere. Diese gewährleisten eine geringe thermische Impedanz bei gleichzeitig hoher mechanischer Stabilität. Ein neu entwickelter Klemmmechanismus stellt den erforderlichen homogenen Druck über die drei Viper-Schalter inklusive der Chips sicher.

Die Modulabmessungen betragen in der Standardversion ca. 174 × 50 × 22 mm³, womit eine deutliche Reduktion gegenüber Vorgängergenerationen erreicht wird. Eine kompaktere Variante für geringere Strombereiche weist eine Länge von etwa 147 mm bei identischer Höhe und Breite auf.

Die Vorteile von SiC-MOSFETs gegenüber IGBTs in Motorumrichtern

Industrielle Motorumrichter stehen im Fokus der Effizienzsteigerung. SiC-MOSFETs eröffnen neue Möglichkeiten: geringere Schaltverluste, höhere Frequenzen und kompaktere Designs machen sie zur zukunftsweisenden Alternative gegenüber klassischen IGBTs.

Leistungscharakteristik: 30 Prozent höhere Ströme durch optimierte Wärmeabfuhr

Die Eagle-Delta-Baureihe ist für Dauerströme von 200 A bis über 750 A (rms) bei einer Betriebsspannung von 800 V spezifiziert. Bei 400 V Betriebsspannung erhöhen sich die maximal möglichen Ströme entsprechend. Der Zuwachs an Stromdichte ist primär auf die optimierte Wärmeabfuhr zurückzuführen, wodurch die Halbleiter bei signifikant niedrigeren Sperrschichttemperaturen betrieben werden können.

Neben der thermischen Optimierung tragen auch die Kühlkörpergeometrien zur Effizienzsteigerung bei. Durch speziell ausgeformte Rippenstrukturen verbessert sich der Wärmeaustausch, wodurch Temperaturgradienten um bis zu 66 % reduziert werden. Trotz erhöhter Kühlleistung bleibt der hydraulische Druckverlust gering (unter 80 mbar bei 10 l/min Durchfluss und 65 °C Kühlmitteltemperatur).

Vergleichsmessungen zeigen, dass doppelseitig gekühlte BorgWarner-Module bei identischer Chipfläche rund 30 % höhere Ströme ermöglichen als einseitig gekühlte Systeme. Gegenüber Wettbewerbsprodukten liegt der Vorsprung bei durchschnittlich über 20 %.

Warum SiC-Halbleiter trotz höherer Kosten günstiger werden können

SiC-Leistungshalbleiter sind gegenwärtig die kostenintensivsten Komponenten leistungselektronischer Baugruppen. Da eine höhere Stromdichte unmittelbar mit einer reduzierten Chipfläche korreliert, ergibt sich ein direkter Kostenvorteil für doppelseitig gekühlte Module. Während die Investitionskosten für komplexere Kühlkörper vergleichsweise gering ausfallen, resultiert die Einsparung an Halbleiterfläche in deutlichen Kostensenkungen auf Systemebene.

Infineon und Rohm kooperieren bei SiC-Gehäusen

Infineon und Rohm beabsichtigen, wechselseitig als zweite Bezugsquelle für SiC-Leistungshalbleiter zu dienen. Damit können Kunden künftig einfach zwischen den Produkten beider Unternehmen wechseln und sind damit flexibler bei Design und Beschaffung.

Besonders im volumenstarken Segment kleiner und mittelgroßer Elektrofahrzeuge ist diese Relation entscheidend. Hier bietet das Eagle-Delta-Modul nicht nur technische Überlegenheit, sondern zugleich signifikante Wirtschaftlichkeitsvorteile.

Zusammenfassung

Mit der Einführung des Eagle-Delta-Leistungsmoduls stellt BorgWarner eine neue Referenz im Bereich Automotive Leistungselektronik vor. Die Kombination aus doppelseitiger Kühlung, innovativer Verbindungstechnologie und kompakter Modularchitektur ermöglicht:

• eine über 30 % höhere Leistungsdichte gegenüber SSC-Modulen,
• eine durchschnittlich > 20 % bessere Performance im Vergleich zu Wettbewerbern,
• eine signifikante Steigerung von Effizienz, Zuverlässigkeit und Lebensdauer,
• sowie eine nachhaltige Reduktion der Systemkosten durch geringeren Halbleiterbedarf.

Damit adressiert BorgWarner zentrale Herausforderungen der Elektromobilität: Effizienzsteigerung, Bauraumoptimierung und Kostensenkung. Die Eagle-Delta-Generation stellt somit einen entscheidenden Fortschritt für die nächste Entwicklungsstufe elektrischer Antriebe dar. (na)

Der Beitrag beruht auf Unterlagen von Borg Warner.