© Mesago | Uwe Mühlhäußer
PCIM Europe
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Halle 6, Stand 301
Vom 09. - 11.05.2023 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.
Die neu entwickelte Halbleitergeneration auf Galliumnitrid- und Siliziumkarbid-Basis bietet auf Systemebene angesichts ihrer geringen Schaltverluste die Möglichkeit, die Schaltfrequenzen von leistungselektronischen Systemen signifikant zu erhöhen. Dadurch kann die Baugröße der passiven Energiespeicher, vor allem der induktiven Bauteile, reduziert werden, weil nicht mehr so viel Energie zwischengespeichert werden muss. Der Fokus im ECPE-Lighthouse-Projekt "Industrial Demonstrator on System Level" lag in einer zusätzlichen Erhöhung der Leistungsdichte durch Innovationen in der Filtertopologie, der Steuerung der Halbleiter und der Pareto-Front-Optimierung des Gesamtsystems.
Die Ansteuerung erfasst zeitgleich alle Messwerte des Systems und regelt die Tastgrade aller insgesamt sechs Halbbrücken. Die Betriebsparameter können durch Ansteuerung über verschiedene Schnittstellen (USB, CAN-Bus und Ethernet) übermittelt oder manuell am System eingestellt werden. Die Ansteuerung unterstützt entsprechend den elektrischen Lastbedingungen den Einsatz unterschiedlicher Betriebsmodi (DCM, CCM, Flat Top Modulation) während einer Netz- bzw. Drehfeldperiode. Dadurch kann die Spannungs-Zeit-Fläche der PFC sowie der Motordrosseln und damit ihre Baugröße weiter reduziert werden. Die Größenreduzierung des Gleichtaktfilters wird mit der Verschiebung der CM-Spannung in den Zwischenkreis erreicht.
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. Um die Streuinduktivität zu minimieren, wurden DC-Snubber im Inneren des Moduls angebracht, die die ungünstige Induktivität der Schraubklemmen eliminieren. Die Größe des Gehäuses wurde ebenfalls minimiert, indem nur sechs kleine Polymerhalterungen verwendet wurden, die die Cu-Terminals tragen, anstatt eines sperrigen Gehäuses. Das Fraunhofer IZM hat das Powermodul gemeinsam mit Magneti Marelli entwickelt, den Prozessablauf für die Prototypenfertigung erarbeitet und ein EDM beim Transfer des Fertigungsprozesses unterstützt.
Die Verwendung von SiC-Halbeitern in den Antriebsumrichtern wird immer gefragter. SiC bietet die Möglichkeit durch geringere Schalt- und Leitverluste im Vergleich zu Silicium-FETs die Leistungsdichte und die Effizienz im System zu erhöhen. Der am Fraunhofer aufgebaute Umrichter wurde in 6-phasiger Topologie realisiert. Mit dem passenden Elektromotor ergeben sich daraus einige Vorteile für den elektrischen Antriebsstrang. Zum einen entsteht damit eine Redundanz: Bei Ausfall einer Phase ist ein Notbetrieb mit dem verbleibenden 3-Phasen-System möglich. Zum anderen kann durch gegenphasiges Ansteuern der zwei Phasensysteme eine Reduktion der durch Gleichtaktstörung erzeugten elektromagnetischen Störpegel und Lagerströme um 30dB erreicht werden. Dieses würde zum einen den Verzicht auf Schirmung ermöglichen, zum anderen führt die Reduktion der Lagerströme zu geringerem Verschleif und weniger Aufwand zur Isolation der Lager der E-Maschine.
Im Projekt SiC-Effizient ist ein Aufbau realisiert, mit dem die SiC-MOSFETs an ihren elektrischen Grenzen betrieben werden. Dieses wird zum einen durch ein optimiertes thermisches Interface realisiert. Hierbei werden die Halbleiter direkt auf dem Kühlkörper über eine Silbersinterverbindung angebunden. Zum anderen wird zur Reduzierung der Schaltverluste besonderer Wert auf die niederinduktive Anbindung des Zwischenkreiskondensators gelegt. Durch eine Kommutierungszelleninduktivität von < 2.4nH bei zwei parallelen Halbleitern und besonders leistungsfähiger Treiberendstufe wird schnelles Schalten mit Spannungssteilheiten von bis zu 60kV/µs ermöglicht.
Vorteile/Eigenschaften
Allgemeine Aspekte
Probleme des Wechselrichters
Das vorhandene Mikroklima in Gehäusen ist eine elementare Schlüsselstelle bei der Untersuchung von Fehlern, die auf Feuchte zurückgeführt werden. Aktuell gibt es kaum belastbare Aussagen zu dem mikroklimatischen Bedingungen in Gehäusen.
Im Projekt "RoDosH" wurde das lokale Mikroklima in Gehäusen leistungselektronischer Anwendungen untersucht, um daraus effektive lokale Belastungsbedingungen abzuleiten. Der Fokus lag dabei auf Temperatur, Feuchte und den Anwendungsbedingungen. Das Mikroklima, das im Gehäuse während der Anwendung entsteht, kann nicht direkt aus dem globalen Einsatzprofil entnommen werden. Ziel des Projektes war es daher, die relevanten Einflussfaktoren für die in die Gehäuse der Leistungselektronik diffundierende Feuchte zu ermitteln.
Die Energieversorgung in autonomen Elektrofahrzeugen wird durch zwei Quellen gewährleistet: Neben der Hochvoltbatterie gibt es eine herkömmliche 12V Batterie, die das Auto im Ruhezustand oder in hohen Lastsituationen im Fahrbetrieb versorgt. Sicherheitskritische Komponenten wie Bremse und Lenkung können somit an zwei Energiepfade angebunden werden. Was passiert jedoch, wenn in einem der beiden ein Fehler, zum Beispiel ein elektrischer Kurzschluss auftritt? Damit ein Totalausfall verhindert werden kann, entwickelten Forschende des Fraunhofer-Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM im Projekt HiBord gemeinsam mit Partnern ein elektronisches Trennelement. Dieses isoliert den Fehler im Bordnetz, so dass es nicht zu sicherheitskritischen Situationen kommt. Das Modul wurde bereits erfolgreich in einem BMW i3 in Betrieb genommen.
Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM