Das Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM hat einen neuartigen Wechselrichter vorgestellt. Der im Auftrag von Mitsubishi Heavy Industries (MHI) von einem Team um Wiljan Vermeer entwickelte 500-Kilowatt-Inverter erreicht nach einer Mitteilung des Instituts einen Wirkungsgrad von 99 Prozent, beansprucht dabei aber nur einen Liter Volumen.
Die hohe Leistungsdichte und der hohe Wirkungsgrad wurden laut Mitteilung des Fraunhofer IZM durch vier »Kunstgriffe« erzielt. 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 äußerst kompakte Module mit einer extrem kleinen elektromagnetischen Grundfläche. Das führt zu einer effektiven Induktivität von einem Nanohenry – so niedrig, dass die Schaltgeschwindigkeit nicht begrenzt und ein Schalten am Limit der MOSFETs mit 63 Volt pro Nanosekunde möglich wird. Da dieses schnelle Schalten mit wenig Verlusten einhergeht, ist nach Angaben des Fraunhofer IZM vergleichsweise wenig Kühlleistung erforderlich. Und damit zum zweiten Kniff.
Unter den drei Modulen sitzt ein flacher, stranggepresster Aluminiumkühler. Sein niedriger Aufbau spart nicht nur enorm viel 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. Als Drittes kommt 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 Wiljan Vermeer. Darüber hinaus erlaubt die vertikale Integration der beiden Eingangs-Stromschienen, sie nah genug beieinander zu positionieren, dass ihre Felder sich nahezu aufheben, was die Induktivität ein weiteres Mal minimiert.
Der vierte Kunstgriff betrifft die Technologie und die Anordnung der Zwischenkreiskondensatoren, die die Leistung der Module puffern. In Zusammenarbeit mit der Firma PolyCharge wurden deren NanoLam-Kondensatoren speziell für diesen Zweck konfiguriert. Sechs Kondensatoren sind gemeinsam mit den Stromschienen so nebeneinander angeordnet, dass der Gleichstrom-Zwischenkreis trotz seiner Kapazität von 300 Mikrofarad auf eine Gesamtinduktivität von nur zwei Nanohenry kommt.
Die Nano-Technologie der Kondensatoren erlaubt eine sehr hohe Leistungsdichte, geht jedoch mit erhöhten thermischen Verlusten einher – eine weitere Herausforderung für die Kühlung. »Die Kupferanschlüsse der elektrischen Kontakte dienen dabei gleichzeitig für eine bessere Ableitung der Wärme«, so 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.«
Die überschüssige Wärme wird auf kurzem Weg an den oben beschriebenen Aluminium-Kühler geleitet, über den auch die Wärme der Leistungsmodule abfließt. Dafür ist die Kondensatoren-Einheit unter dem Aluminium-Kühler platziert und innerhalb des Gehäuses integriert, was den benötigten Raum abermals verkleinert.
Mit 500 Kilowatt pro Liter sind nach Angaben des Fraunhofer IZM die gängigen Alternativen um das Fünffache übertroffen, die bisherige Spitzentechnologie um das Zweieinhalbfache.
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