© Mesago | Uwe Mühlhäußer
PCIM Europe
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Stand 300/ Halle 5
Vom 06. - 08.05.2025 findet die PCIM Europe als führende Fachmesse und Konferenz für Leistungselektronik wieder in Nürnberg statt.
Auf der PCIM können Sie das komplette Dienstleistungsspektrum des Fraunhofer IZM im Bereich der Leistungselektronik erleben: vom Systemdesign über Aufbau- und Verbindungstechnik für leistungselektronische Systeme und Zuverlässigkeitsaspekte bis hin zu Kühlkonzepten.
Prof. Dr.-Ing. Eckart Hoene
Datum: 8. Mai 2025 , 12:55 Uhr - 13:15 Uhr
Ort: E-Mobility & Energy Storage Stage (Halle 6/220)
Projekt »Dauerpower«
Im Projekt „Dauerpower“ wurde ein innovativer Wechselrichter für Elektrofahrzeuge entwickelt, der durch ein verbessertes Kühlmanagement und den Einsatz von Silizium-Karbid (SiC)-Halbleitern die Effizienz und Leistungsfähigkeit steigert. Ziel war es, die Leistung der Antriebsstränge zu erhöhen, die Lebensdauer der Komponenten zu verlängern und die Produktionskosten zu senken. Dabei wurde das gesamte System einschließlich Hardware und Software entwickelt.
Das fahrzeugeigene Ladegerät, der On-Board-Charger (OBC), ist der Schlüssel zum universellen Laden – und somit ein Kernstück für die Zukunft der E-Mobilität. Dem Fraunhofer IZM ist es nun gelungen, einige der neuesten Errungenschaften aus dem Bereich der Leistungselektronik für die nächste Generation von On-Board-Chargern zu kombinieren. Das Ergebnis: doppelte Ladeleistung bei halbem Volumen, dazu bidirektional und maschinell gefertigt. Eine kostengünstige Lösung und ein Wegweiser für die Abkürzung in Richtung Zukunft.
Projekt Panel Power
Molding-Technologie hat sich als Verkapselungstechnologie für Leistungsmodule bewährt, allerdings wird jedes Modul in einer produktspezifischen, einzelnen Kavität verkapselt und alle Kontakte liegen in einer Ebene, was eine nachträgliche Umformung der Signalpins erfordert. Das Fraunhofer IZM stellt die Verkapselung von Leistungsmodulen durch Compression Molding vor. Das Verfahren bietet den Vorteil, dass mit einem höhenflexiblen Formwerkzeug mehrere heterogene Bauteile/Baugruppen mit unterschiedlichen Breiten und/oder Dicken gleichzeitig verkapselt werden können. Außerdem wird weniger Verkapselungsmaterial verbraucht, da das Compression Molding ein angussloses Verfahren ist.
Projekt TELEV
Das Projekt TELEV (Technologische Befähigung hybrid-elektrischer Antriebssysteme für bemannte Fluggeräte durch die Erforschung luftfahrtgerechter Leistungselektronik, -verteilung und Steuerung) zielt auf die systematische Untersuchung von Technologien ab, die notwendig sind, um derartige Konfigurationen auf das für die Luftfahrt notwendige Leistungsniveau zu bringen. Hierzu wurden gezielt Technologien für luftfahrtgerechte Leistungselektronik und -verteilung sowie Steuerungen erforscht. Das Fraunhofer IZM hat sich hierbei auf die Entwicklung eines luftgekühlten Antriebsumrichters für den Rotor eines eVTOLs (Electric Vertical Take-Off and Landing Vehicle) fokussiert insbesondere auf das Herzstück, die Leistungsmodule. Dabei wird ein Wirkungsgrad von 99 % angestrebt, um die Batteriemasse zu minimieren bzw. die Reichweite zu erhöhen.
Zur Umsetzung dieses ambitionierten Ziels stehen zwei Innovationen im Fokus, zum einen die Entwicklung isolierter Single Chip Packages für die Leistungshalbleiter und zum anderen das Design eines ausgeklügelten Luftkühlungskonzepts, das auf zwei Spreizmechanismen basiert.
Die Energiewende stellt eine der größten Herausforderungen unserer Zeit dar. Ein zentraler Faktor für ihren Erfolg ist die effiziente Nutzung elektrischer Energie, sei es in Haushaltsgeräten, Industrieanlagen oder Elektrofahrzeugen. Ein vielversprechender Ansatz zur Effizienzsteigerung liegt in der Weiterentwicklung von Leistungshalbleitern, insbesondere durch den Einsatz niederinduktiver Leistungsmodule mit Siliziumkarbid (SiC)-Technologie.
Projekt SesiM
Die KI-gestützte Selbstvalidierung ermöglicht die Echtzeit-Vorhersage von Systemzuständen in komplexen elektronischen Systemen auf der Grundlage funktionaler Parameter. Dadurch werden kritische Zustände und Ausfallzeiten vermieden, was neue Geschäftsmodelle wie die Zweitnutzung von Komponenten ermöglicht. Durch die Kombination klassischer Fehlermodelle (White-Box) mit maschinellen Lernverfahren (Black-Box) durch Grey-Box-Modellierung bietet dieser Ansatz eine ressourceneffiziente Umsetzung ohne zusätzliche Sensoren unter Verwendung standardisierter Schnittstellen.
Für die Industrie bedeutet dies ressourcenschonende Strategien zur Bewertung des Systemzustands und der Restnutzungsdauer während des Betriebs. Es wird ein digitaler, datenbasierter Fingerabdruck erstellt, um altersbedingten Verschleiß und Manipulationen zu erkennen. Vertrauenswürdige Kompaktmodelle können in digitale Zwillinge integriert werden, und die Restnutzungsdauer wird zu einem Entscheidungskriterium für die Wiederverwendung, Aufarbeitung oder das Recycling.
Das Fraunhofer IZM stellt eine Gehäusealternative zu kommerziell erhältlichen PCB-basierten Leistungs-CSPs vor: ein Mold-basiertes Single Chip Package, das wesentliche Anforderungen an Leistungselektronik-Packages erfüllt, wie z.B. gute Wärmeabfuhr, eine hohe thermische Masse auf der Oberseite für die sinnvolle Integration von Wide Band Gap Halbleitern und auch möglichst geringe Produktionskosten. Der Hauptunterschied zu PCB-basierten Single Chip Packages ist die Verwendung eines isotropen Verkapselungsmaterials, was vorteilhaft für den Package-internen Stress ist.
Im Rahmen des europäischen Projekts "HiEFFICIENT" wird die Verwendung von neuartigen und leistungsstarken Halbleitern, sogenannten Wide-Bandgap-Halbleitern, für die nächste Generation von Elektrofahrzeugen untersucht. Das Ziel des Projekts ist die Entwicklung einer effizienten, integrierten Ladeeinheit für Elektrofahrzeuge mit einer Leistung von 22 kW.
Für mobile Ladegeräte (On-Board Charger) in Elektrofahrzeugen ist eine galvanische Isolation zwischen dem Versorgungsnetz und der Fahrzeugbatterie erforderlich. Durch den Einsatz von Galliumnitrid-Halbleitern (GaN) können Schaltfrequenzen im Megahertz-Bereich erreicht werden, was eine Volumenreduzierung durch kleinere magnetische Komponenten ermöglicht. Für die galvanische Isolation und Spannungsübertragung wird ein Sinus-Amplituden-Converter (SAC) verwendet, der schaltungstechnisch eine LLC-Topologie aufweist.
Die Umstellung der Automobile von herkömmlichen Verbrennungsmotoren auf Elektroantriebe stellt eine enorme Herausforderung für die Automobilindustrie dar. Neben hoher Effizienz und geringem Gewicht sind bei hohen Stückzahlen vor allem die Kosten von großer Bedeutung.
In einem On-Board-Ladegerät für die Elektromobilität befindet sich neben einem DC-DC-Wandler, der für die galvanische Isolation zum HV-Fahrzeugnetz sorgt, ein sogenannter Power-Factor-Correction-Konverter (PFC), der als Schnittstelle zum öffentlichen Versorgungsnetz dient. Er sorgt für rein sinusförmige Grundwellenströme (50/60Hz) auf der Eingangsseite.
Ein besonders sperriges und kostenintensives Bauteil ist dabei die PFC-Drossel, die die Spannungsdifferenz zwischen der Spannung im Versorgungsnetz (230V/50Hz) und der Gleichspannung im Spannungszwischenkreis (800VDC) aufnehmen und gleichzeitig den vollen Laststrom (für 3-phasige 22kW-Geräte 32A) tragen muss.
Eine für diesen Zweck neuartige Drossel wird im Rahmen des europäischen Projekts "HiEFFICIENT" entwickelt. Durch den speziellen Aufbau mit vier magnetisch gekoppelten Wicklungen auf jeweils einem separaten Wickelschenkel und der hohen Schaltfrequenz von 140kHz ist es möglich, die Wicklungen in einem Standard-Leiterplatten-Prozess zu fertigen. Als Magnetkern kann ein kostengünstiger Ferritkern mit sehr geringen Ummagnetisierungsverlusten verwendet werden, der ebenfalls maschinell in großen Stückzahlen hergestellt werden kann.
Die wichtigsten Eigenschaften eines Leistungsmoduls für die Formel 1 sind eine höchstmögliche Leistungsdichte und ein geringes Gewicht. Volumen und Gewicht des vorgestellten Wandlers konnten im Vergleich zu früheren Versionen um ca. 50% reduziert werden.
Dieser am Fraunhofer IZM gefertigte AC-DC-Wandler zur Energierückgewinnung verwendet eine direkte Substrat-Wasserkühlung, um Gewicht und Volumen zu minimieren und gleichzeitig einen geringen thermischen Widerstand durch einen kurzen thermischen Pfad zu gewährleisten. Die Oberfläche des Substrats wird durch Bändchen vergrößert, die mit Ultraschall gebondet werden und den Wärmewiderstand reduzieren. Der Wasserkanal besteht aus AlSiC für einen angepassten CTE und die Substrate sind in seine Öffnungen eingelötet. Acht parallel geschaltete SiC-Halbleiter für jeden Schalter sorgen für die erforderliche Leistung gemäß der KERS-Anforderung; das Modul besteht aus drei Halbbrücken.
Vorteile/Eigenschaften
Allgemeine Aspekte
Probleme des Wechselrichters
Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM