Projekt Dauerpower: Forscher entwickeln Wechselrichter mit 720 kW Dauerleistung
Mit optimierten Halbleitermaterialien und neuen Fertigungsprozessen wollen Forscher die Leistungsfähigkeit von Wechselrichtern für Elektroautos steigern. "Gegenüber existierenden Wechselrichtern auf Siliziumbasis erreichen wir mit unserem Ansatz eine Leistungssteigerung zwischen 20 Prozent und 30 Prozent" , sagte Eugen Erhardt vom Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM laut Pressemitteilung(öffnet im neuen Fenster) . Der dreiphasige Antriebswechselrichter erreiche eine Dauerleistung von 720 kW (979 PS) und einen Nennstrom von 900 Ampère.
Wechselrichter, auch Inverter genannt, wandeln den Gleichstrom der Hochvoltbatterien in Drehstrom für die Elektromotoren um. Wegen der dabei entstehenden Wärme sind Wechselrichter in der Regel in einen Kühlkreislauf eingebunden. Doch das reicht meist nicht aus, um dauerhaft eine sehr hohe Leistung liefern zu können. In der Mitteilung heißt es: "Damit die passiven Bauteile eines Wechselrichters, wie Kondensatoren und Kupferelemente nicht durch Hitzeentwicklung beschädigt werden, drosseln herkömmliche Systeme ihre Maximalleistung im Dauerbetrieb."
Ermöglicht wurde die Steigerung der Dauerleistung durch den Umstieg auf Transistoren aus Siliziumkarbid (SiC), die gegenüber reinem Silizium einen höheren Wirkungsgrad sowie eine höhere Temperaturbeständigkeit aufweisen. Solche Chips, wie sie inzwischen von zahlreichen Elektroautoherstellern eingesetzt werden (g+), ermöglichen demnach eine geringere Kühlfläche bei gleichbleibender Leistung. Dadurch könne im Vergleich zu Siliziumchips Halbleitermaterial eingespart werden, da eine bessere Kühlung gegeben sei. Wegen des besseren Kühlmanagements könnten die Chips bei einer geringeren Betriebstemperatur arbeiten, wodurch es zu weniger Verlustleistung komme.
Transistoren auf Keramiksubstrat aufgebracht
Um die effizienteren Chips zu bauen, brachten die Fraunhofer-Entwickler die Transistoren in einem Pre-Packaging-Verfahren direkt auf ein Keramiksubstrat auf, das flexibel in herkömmliche Leiterplatten eingebettet werden könne. "Durch die dünne Bauweise und eine Reduzierung der benötigten Materialien gibt es weniger mechanischen Stress und ein einheitlicheres Verformungsverhalten bei Hitzeeinwirkung" , hieß es. Außerdem könne der knappe Bauraum durch die segmentierten Keramiksubstrate optimal ausgenutzt werden, um die spezifischen Anforderungsprofile der Fahrzeugindustrie zu bedienen.
Darüber hinaus setzten die Forscher weitere Verfahren ein, um die Kühlung der Halbleiter zu verbessern. So sei zur Herstellung der Kühlelemente erstmals Kupfer in einem 3D-Druckverfahren verwendet worden. Damit könne "die hervorragende Wärmeleitfähigkeit von Kupfer mit der vollen Flexibilität des 3D-Druckens kombiniert werden, anstatt wie zuvor nur auf Kühlkörper aus Aluminium zugreifen zu können" .
Nach einer Simulationsphase befindet sich der Prototyp aktuell im Aufbau und soll schließlich beim Autohersteller Porsche "einen umfangreichen Prüfprozess durchlaufen, um eines Tages auch Wege in die Serienproduktion zu finden" . An dem vom Bundeswirtschaftsministerium geförderten Projekt ist auch der Automobilzulieferer Bosch beteiligt. Bosch setzt inzwischen ebenso wie die Halbleiterhersteller Infineon, STMicroelectronics und das US-Unternehmen Wolfspeed in großem Umfang auf SiC-Chips.