Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM
Antriebsumrichter für die Elektromobilität steuern den Energiefluss zwischen der Hochvolt-Batterie und dem Motor. Sie entscheiden maßgeblich über Effizienz und Performance. Die Gruppe Power Electronic Systems des Fraunhofer IZM hat in diesem Feld ein weiteres Mal neue Maßstäbe gesetzt: Im Auftrag von Mitsubishi Heavy Industries (MHI) wurde ein kostengünstiger Wechselrichter entwickelt, der bei einer Effizienz von 99 Prozent ganze 500 Kilowatt Leistung liefert (knapp 680 PS), aber nur einen Liter Volumen beansprucht. Eine Kombination innovativer Leistungsmodul-, Kondensator- und Kühlkonzepte macht diese sensationelle Leistungsdichte möglich.
Drei Leistungsmodule, je eins pro Phase, nutzen jeweils 12 Siliziumkarbid-MOSFETs. Sie sind per PCB-Technologie direkt in die Leiterplatte eingebettet, wodurch die parasitären Induktivitäten auf etwa 1 Nanohenry reduziert werden und sich zudem die Größe des Leistungsmoduls verringert. So werden wiederum hohe Schaltgeschwindigkeiten ermöglicht, bei minimalen Verlusten und geringem Kühlbedarf.
Ein kompakter Aluminiumkühler mit niedrigem Aufbau leitet die Wärme effizient ab und verkürzt den thermischen Pfad zum Kühlmittel. Er überzeugt durch geringe Materialkosten sowie eine wirtschaftliche Herstellung im Strangpressverfahren, das die Fertigung des Kühlkörpers in nur einem Schritt erlaubt
Die Stromschienen werden per Laser direkt auf die Leiterplatte geschweißt. Schraubverbindungen werden dadurch überflüssig, was Platz spart und die Induktivitäten minimiert. Die vertikale und sehr nahe Anordnung der Stromschienen führt dazu, dass sich ihre Felder nahezu aufheben. Das reduziert die Induktivitäten abermals.
Die Zwischenkreiskondensatoren – sechs Polycharge-NanoLam-Kondensatoren – sind zudem induktivitätsarm ausgelegt. Darüber hinaus werden die Kondensatoranschlüsse dazu genutzt, die Wärme abzuführen und zum Kühlkörper zu leiten, der direkt über dem Kondensator integriert ist. Diese Multifunktionalität ermöglicht den Betrieb mit hohen Strömen in einem Kondensator mit geringem Volumen.
Die Leistungsdichte von 500 kW oder 0,5 MW pro Liter übertrifft Standardlösungen um das Fünffache, Spitzentechnologie um das Zweieinhalbfache. Der Wirkungsgrad von 99 % bei moderaten Herstellungskosten spricht ebenfalls für sich.
