Foto: Fraunhofer IZM /Volker Mai
Wechselrichter sind das Herz moderner Elektrofahrzeuge. Als zentrale Komponente wandeln sie den Gleichstrom aus der Batterie in Drehstrom um und treiben so den Motor an. Allerdings zieht mehr Leistung im Antriebsstrang einen höheren Stromfluss nach sich. Aufgrund dessen steigt parallel auch die Wahrscheinlichkeit von Wärmeverlusten. Forschende des Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) haben in Zusammenarbeit mit Porsche und Bosch einen neuen Wechselrichter entwickelt. Sein Name ist Programm: „Dauerpower“ soll die Grenzen des bisher Möglichen sprengen.
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Dank modernster Leistungselektronik und einer innovativen Bauweise verarbeitet der Dauerpower-Wechselrichter enorme Energiemengen auf kleinstem Raum – und das mit einer Spitzeneffizienz von 98,7 Prozent. Diese Technologie ebnet den Weg für eine neue Generation von Hochleistungs-Elektrofahrzeugen, die in puncto Leistung und Effizienz neue Maßstäbe setzen könnten. Hinzu kommt: Der Dauerpower-Wechselrichter begegnet den Wärmeverlusten mit einem neuartigen Konzept, das höchste Leistung mit minimalen Verlusten verbindet. Mit einer kontinuierlichen Leistungsabgabe von knapp 600 Kilowatt (entspricht etwa 815 PS) übertrifft er nicht nur die typische Leistung eines 40-Tonnen-LKW um das Anderthalbfache, sondern definiert insbesondere im Bereich elektrisch angetriebener Sportwagen völlig neue Leistungsstandards. Kurzzeitig sind sogar Spitzenleistungen von bis zu 720 Kilowatt (etwa 979 PS) realisierbar.
Siliziumkarbid-Transistoren als Schlüssel für Dauerpower-Wechselrichter
Um derart hohe Energiemengen effizient zu verarbeiten, setzt der Dauerpower-Wechselrichter auf modernste Halbleitertechnologie und ein speziell entwickeltes Kühlsystem. Das Herzstück des leistungsstarken Dauerpower-Wechselrichters bilden Transistoren aus Siliziumkarbid (SiC). „Im Vergleich zu herkömmlichen Siliziumtransistoren zeichnen sich Siliziumkarbid-Halbleiter durch eine wesentlich höhere Temperaturbeständigkeit, geringere Halbleiterkapazitäten und einen reduzierten Durchlasswiderstand bei gleicher Halbleiterfläche aus. Daher bieten sie das Potenzial, Schalt- und Leitverluste erheblich zu reduzieren“, sagt Dominik Seidenstücker, der das Projekt federführend entwickelt hat. Ein weiterer Vorteil ist die extrem niedrige Modulinduktivität von nur 1,1 Nanohenry, die in dieser Leistungsklasse ihresgleichen sucht. Durch den Einsatz spezieller DC-Link-Kondensatoren mit PolyCharge NanoLam-Technologie, die im Vergleich zu gängigen Polypropylen-Kondensatoren mehr als die doppelte Leistungsdichte aufweisen, gelang es den Forschenden, den Wechselrichter besonders kompakt zu bauen.
Eine weitere Effizienzsteigerung erzielten sie durch ein spezielles Leiterplattenverfahren, indem sie die Halbleitermodule direkt integrierten. „Das Leiterplattenembedding ermöglicht uns, den Abstand zwischen den Hin- und Rückleitern zu verringern und so die Streuinduktivität zu reduzieren. Die geringere Streuinduktivität des Moduls führt dazu, dass wir schneller schalten können. Dies wiederum reduziert die Verluste im Halbleiter abermals“, erklärt Seidenstücker. Darüber hinaus ermöglicht diese Technologie eine kostengünstige Massenproduktion. Für die geringe Wärmeentwicklung sorgt die hochmoderne SiC-Technologie, die sich in den 12 verbauten Halbleitermodulen befindet. Bei großen Energiemengen durch den Dauerpower-Wechselrichter kommt außerdem ein raffiniertes Kühlsystem zum Einsatz.
Innovatives Kühlsystem für Dauerpower-Wechselrichter
Das für den Dauerpower-Wechselrichter speziell entwickelte Kühlsystem ist zweistufig. Die erste Stufe bildet ein 3D-gedrucktes Kupferkühlelement, das optimal an die thermischen Anforderungen der Bauteile angepasst ist und für eine gleichmäßige Wärmeabfuhr sorgt. Die Wahl fiel auf Kupfer aufgrund der besseren thermischen Leitfähigkeit im Vergleich zu Aluminium. So lässt sich auch die Wärme besser spreizen. Hinzu kommen Silbersinterverbindungen, die direkt an das Kühlsystem angeschlossen sind und auf diese Art und Weise eine bestmögliche thermische Integration gewährleisten.
Die zweite Stufe des Kühlsystems bildet eine im Aluminium-3D-Druck-Verfahren hergestellte Wasserkühlung. Sie führt das Kühlwasser durch eine parallele Kühlstruktur, die den Druck im System optimal verteilt. Mit einem extrem geringen Druckabfall von nur 150 Millibar bei einem Kühlmittelstrom von 10 Litern pro Minute beweist sie ihre hohe Effizienz. Im Rahmen erster Tests zeigte sich sogar nach 15 Minuten Dauerlastbetrieb eine Temperaturdifferenz zwischen Gehäuse und Kühlmedium von weniger als 20 Kelvin. Am gekühlten Phasenausgang wurde eine maximale Temperaturerhöhung von lediglich 41 Kelvin gemessen. Dadurch bleibt der Wechselrichter auch bei hoher Beanspruchung stets im optimalen Betriebstemperaturbereich.
Dauerpower-Wechselrichter setzt neue Maßstäbe für E-Antriebe
Der Dauerpower-Wechselrichter vereint modernste Halbleitertechnik, ein optimiertes Kühlsystem und eine hohe Leistungsfähigkeit zu einem Kraftpaket, das in Sachen Leistungsdichte neue Maßstäbe setzt. Mit 200 kVA pro Liter übertrifft er die Leistungsdichte gängiger Elektroautos um das Zwei- bis Vierfache und liegt sogar ein Drittel über dem heutigen Spitzensegment. Somit können Hochleistungs-Elektrofahrzeuge künftig mit deutlich kompakteren Wechselrichtern ausgestattet werden, ohne Abstriche bei der Leistung machen zu müssen. Ein weiterer Vorteil ist das Modulsystem, das einen einfacheren Austausch oder die Wartung einzelner Komponenten ermöglicht. So lassen sich Ressourcen sparen und die Nutzungsdauer der Fahrzeuge erheblich verlängern. Mit dem Dauerpower-Wechselrichter ist ein Schlüsselbaustein für die nächste Generation elektrischer Antriebe entstanden, der einen wesentlichen Beitrag zur Weiterentwicklung der Elektromobilität leistet und die Messlatte in puncto Leistung, Effizienz und Nachhaltigkeit ein gutes Stück höher legt.
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