E-Mobilität Wechselrichter definiert Leistungsdichte neu

Wechselrichter sind die Zentrale moderner Elektroantriebe. Sie steuern den Energiefluss zwischen Batterie und Motor und entscheiden maßgeblich über Effizienz und Performance. Am Fraunhofer IZM wurde diese Schlüsselkomponente nun erneut weiterentwickelt: Ein neuartiger Inverter verarbeitet 500 kW/l und erreicht dank extrem niedriger Induktivität einen Wirkungsgrad von 99 %.

Kräftige Elektromotoren werden meist mit Dreiphasenwechselstrom angetrieben. Das gilt auch für aktuelle E-Autos, deren Batterien die Energie allerdings als Gleichstrom bereitstellen. Für die Umwandlung in Drehstrom sorgt der Wechselrichter. Weil der Platz unter der Motorhaube eines Elektroautos jedoch begrenzt ist, gilt: je kleiner, desto besser – natürlich bei gleicher Leistung.

Die Gruppe Power Electronic Systems des Fraunhofer IZM hat auf diesem Feld ein weiteres Mal Maßstäbe gesetzt: Im Auftrag von Mitsubishi Heavy Industries (MHI) entwickelten Wiljan Vermeer und seine Kolleginnen und Kollegen einen kostengünstigen Wechselrichter, der bei einer Effizienz von 99 % ganze 0,5 MW Leistung liefert (knapp 680 PS), aber nur einen Liter Volumen beansprucht.

Zwölf SiC-Halbleiter pro eingebettetem Leistungsmodul

Vier Kunstgriffe verleihen dem Wechselrichter dabei den richtigen Dreh. Es beginnt mit dem Leistungsmodul, das in dreifacher Ausführung zum Einsatz kommt, je eins pro Phase. Sie sind durch einen RC-Dämpfer vom Zwischenkreiskondensator entkoppelt, um unerwünschte Schwingungen und andere Nebeneffekte zu reduzieren. In jedem Modul sitzen zwölf Siliziumkarbid-Schalter: die vom Partner und Kunden MHI vorgegebenen Mosfets. Sie sind platzsparend auf Basis von PCB-Technologie direkt in die Leiterplatte eingebettet. Das Ergebnis sind kompakte Module mit einer kleinen elektromagnetischen Grundfläche. Dies führt zu einer effektiven Induktivität von 1 nH – so niedrig, dass die Schaltgeschwindigkeit nicht begrenzt und ein Schalten am Limit der Mosfets mit 63 V/ns möglich wird. Weil dieses schnelle Schalten mit wenig Verlusten einhergeht, ist vergleichsweise wenig Kühlleistung erforderlich.

Damit zum zweiten Kniff: Unter den drei Modulen sitzt ein flacher, stranggepresster Aluminiumkühler. Sein niedriger Aufbau spart nicht nur Platz, zugleich erlaubt er einen kurzen thermischen Pfad vom Halbleiter zum Kühlmittel. Im Inneren verlaufen über 40 dünne, leicht gewellte Stege, die dem durchfließenden Kühlmittel ausreichend Berührungsfläche zum Wärmeaustausch bieten. Aluminium überzeugt durch geringe Materialkosten und eine wirtschaftliche Herstellung im Strangpressverfahren: In nur einem Produktionsschritt entsteht so der komplette Kühlkörper – ein Design, das sowohl Platz als auch Kosten spart.

Wechselrichter mit lasergeschweißtem Design

Als Drittes kommt bei dem Wechselrichter das Laserschweißen als Verbindungstechnik ins Spiel: "Die Kontaktpunkte der Stromschienen sind so geformt, dass wir sie per Laser direkt auf die Leiterplatte schweißen können. Schraubverbindungen entfallen damit. Sie würden nicht nur mehr Raum beanspruchen, sondern auch die Induktivitäten erhöhen", so Vermeer. Die vertikale Integration der beiden Eingangsstromschienen erlaubt, sie nah genug beieinander zu positionieren, dass ihre Felder sich nahezu aufheben, was die Induktivität ein weiteres Mal senkt.

Die vierte Maßnahme betrifft die Technologie und Anordnung der Zwischenkreiskondensatoren, die die Leistung der Module puffern. Zusammen mit der Firma Polycharge wurden deren „Nanolam“-Kondensatoren speziell für diesen Zweck konfiguriert. Sechs Kondensatoren sind mit den Stromschienen so nebeneinander angeordnet, dass der Gleichstromzwischenkreis trotz seiner Kapazität von 300 mF auf eine Gesamtinduktivität von nur 2 nH kommt. Die Nanotechnologie der Kondensatoren erlaubt eine hohe Leistungsdichte, geht jedoch mit erhöhten thermischen Verlusten einher – eine weitere Herausforderung für die Kühlung. 

"Die Kupferanschlüsse der elektrischen Kontakte dienen dabei einer besseren Ableitung der Wärme", sagt Vermeer. "Wir haben sie so konzipiert, dass die elektrischen Verbindungen die schlechte Wärmeleitung ausgleichen und die Wärme sowohl horizontal als auch vertikal gleichmäßig verteilen. Die Kondensatoren sind zwar für eine Maximaltemperatur von 150 °C ausgelegt, wir haben sie aber auf 130 °C begrenzt, um ihre Zuverlässigkeit zu erhöhen." Nach konventionellen Maßstäben ist das noch immer ein sehr hoher Wert. Die überschüssige Wärme wird auf kurzem Weg an den beschriebenen Aluminiumkühler geleitet, über den auch die Wärme der Leistungsmodule abfließt. Dafür ist die Kondensatoreneinheit unter dem Kühler platziert und innerhalb des Gehäuses integriert, was den benötigten Raum abermals verkleinert.

Alternative Wechselrichter um das Fünffache übertroffen

Durch die Kombination innovativer Leistungsmodul-, Kondensator- und Kühlkonzepte hebt der Wechselrichter die 800-V-Antriebstechnik auf ein neues Level. Mit 500 kW/l werden die gängigen Alternativen um das Fünffache übertroffen, die bisherige Spitzentechnologie um das Zweieinhalbfache. Auch die Effizienz von 99 % setzt neue Maßstäbe – bei zugleich moderaten Herstellungskosten für das Gesamtpaket.