Kühlen auf kleinstem Raum 02.09.2021, 14:29 Uhr

Keramische Kühllösung für die E-Mobilität

Ceramtec hat ein keramisches Hochleistungsmodul für Drive Inverter entwickelt. Eingesetzt werden soll es in Wechselrichtern im Antriebsstrang von E-Autos.

Leistungsmodul für Drive Inverter. Foto: Ceramtec

Leistungsmodul für Drive Inverter.

Foto: Ceramtec

Visionäre Konzeptfahrzeuge, Elektromobilität, alternative Antriebe – das sind die Themen der IAA in München (7. bis 12. September). Die IAA Mobility ist den Angaben zufolge die neue globale Plattform für den Weg zur klimaneutralen Mobilität. Einen Schwerpunkt dabei soll die IAA Conference bilden, auf der die Ideen und Konzepte für die Mobilität von morgen präsentiert und diskutiert werden. Mit dabei sind mehr als 500 CEOs, Experten, Wissenschaftler und NGO-Vertreter, heißt es.

In dieser Themenwelt mit dabei ist Ceramtec, Hersteller technischer Hochleistungskeramik. Begleitend zur IAA stellt das Unternehmen seine kürzlich entwickelte keramische Kühllösung für ein Leistungsmodul vor, das seinen Einsatz in Wechselrichter im Antriebsstrang von E-Autos finden soll. Denn gerade die Leistungselektronik in der E-Mobilität benötige, so Ceramtec, innovative Kühllösungen, die auf kleinstem Raum sicher und zuverlässig funktionieren. Kühllösungen von Ceramtec können dabei einen entscheidenden Beitrag leisten, heißt es weiter.

Elektromobilität ist massiv auf dem Vormarsch, führt das Unternehmen aus. Bei der Weiterentwicklung der Antriebsstränge stößt die Automobilindustrie jedoch auf Herausforderungen, darunter knapper Bauraum, steigende Leistungsanforderungen und die Forderung nach hohen Reichweiten. Aufgrund neuer Materialien erreichen Halbleiterchips zwar immer höhere Leistungsdichten, führt Ceramtec aus, dies erzeugt jedoch zugleich mehr Wärme. Um Leistungssteigerungen dennoch umsetzen zu können, sei es nötig, thermische Widerstände zu senken. Dieser Herausforderung habe sich das Unternehmen gestellt und eine wegweisende Kühllösung für die Leistungselektronik in Elektroautos entwickelt. Sie trage dazu bei, dass die Regelung und Steuerung in der Elektromobilität sicher und zuverlässig funktioniere.

Keramische Kühlkörper für innovative E-Mobility-Lösungen

Hochleistungskeramik eignet sich den Angaben zufolge besonders, um beispielsweise SiC-Halbleiterchips zu entwärmen, weil sie hohe Wärmeleitfähigkeit, elektrische Isolierung sowie Korrosions- und Verschleißfestigkeit bietet. Besonders hohe Leistungsdichten werden mit Flüssigkühlern erreicht. Denn anders als Luft erreichen Wasser oder Glykol- Gemische eine signifikant höhere Entwärmungsleistung. Damit es zu einer effizienten Entwärmung kommt, wird bei der neuen Generation keramischer Kühlsysteme der Chip mittels der Chip-on-Heatsink Technik direkt auf dem metallisierten Keramik-Kühlkörper angebracht. So ist er besonders nah an der Kühlflüssigkeit, führt Ceramtec aus. Dafür werden die strukturierten Kupferbleche direkt auf der Vorder- und Rückseite des Keramikkühlers aufgebracht. Mittels dieses Aufbaus sei es auch möglich, beide Seiten als Schaltungsträger zu nutzen und gleichzeitig zu kühlen.

Die innere Kühlstruktur der Keramik ist den Angaben zufolge als Pin-Fin-Struktur aufgebaut. Das vergrößere die Wärmeübertragungsfläche des Kühlkörpers deutlich und ermögliche eine ideale Umspülung der Pin-Fin-Oberfläche. So werde Wärme bestens abtransportiert und zugleich erhöhe die Struktur die mechanische Festigkeit, welche so Druck-, Torsions- und Biegekräfte gut aufnehmen könne.

Wie Ceramtec erläutert, beträgt der thermische Widerstand von Chip-on-Heatsink Kühlkörpern im Vergleich zu herkömmlich aufgebauten Systemen lediglich die Hälfte des Wertes. Der sehr kompakte Kühlkörper ist dabei nur 48 mm × 36 mm groß, 3,6 mm dick (einschließlich Metallisierung) und wiegt 10 g. Anhand der thermischen Charakterisierung wurde die Performance des Moduls eindrucksvoll im PowerCycling Test bestätigt, so Ceramtec. Der thermische Widerstand des Leistungsmoduls mit Pin-Fin Keramik-Kühler betrage im Auslegungspunkt vom Chip bis ins Kühlwasser 0,15 K*cm2/W.

Von Ceramtec/Udo Schnell

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