Fraunhofer IZM hebt SiC-Wechselrichter auf neue Leistungsebene

Wechselrichter sind zentrale Elemente im E-Antrieb. Sie steuern den Energiefluss zwischen Batterie und Motor und entscheiden somit über Effizienz und Performance mit. Am Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) hat sich die Gruppe Power Electronic Systems unter Leitung von Wiljan Vermeer intensiv mit dieser Schlüsselkomponente befasst – und zwar im Auftrag von Mitsubishi Heavy Industries (MHI), einem japanischen Konzern mit mehr als 300 Töchtern, die vorrangig in der Schwerindustrie, im Maschinen- und Fahrzeugbau, der Luftfahrt- und Elektronikindustrie tätig sind. Im eMobility-Bereich bekannt ist etwa die Mitsubishi Heavy Industries Thermal Transport Europe GmbH aus Osnabrück.

Das Fraunhofer IZM gibt an, den Wechselrichter grundlegend weiterentwickelt zu haben. Als Ergebnis präsentiert das Institut nun „einen neuartigen, kostengünstigen Inverter, der 500 Kilowatt Leistung bei einem Volumen von nur einem Liter verarbeitet und dank seiner extrem niedrigen Induktivität einen Wirkungsgrad von 99 Prozent erreicht“. Gelungen sei dies durch „vier Kunstgriffe, die dem Wechselrichter den richtigen Dreh verleihen“, wie die Entwickler mitteilen.

Der erste Kniff sind zwölf SiC-Halbleiter pro eingebettetem Leistungsmodul. Dieses Modul findet sich im Wechselrichter in dreifacher Ausführung – je eins pro Phase. Die Module sind laut den Experten durch einen RC-Dämpfer vom Zwischenkreiskondensator entkoppelt („um unerwünschte Schwingungen und andere Nebeneffekte zu reduzieren“) und mit je zwölf Siliziumkarbid-Schalter ausgestattet. Dabei handelt es sich um vom Partner und Kunden MHI vorgegebene MOSFETs. „Diese 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 vergleichsweise wenig Kühlleistung erforderlich“, führt das Fraunhofer-Institut aus.

Zweites Stichwort sind stranggepresste Aluminiumkühler: Denn unter den drei Modulen sitzt ein solch flacher Aluminiumkühler. Sein niedriger Aufbau spare nicht nur enorm viel Platz, zugleich erlaube er einen kurzen thermischen Pfad vom Halbleiter zum Kühlmittel, heißt es. Im Inneren verlaufen konkret über 40 dünne, leicht gewellte Stege, die dem durchfließenden Kühlmittel ausreichend Berührungsfläche zum Wärmeaustausch bieten. „Aluminium überzeugt durch geringe Materialkosten und eine äußerst wirtschaftliche Herstellung im Strangpressverfahren: In nur einem Produktionsschritt entsteht so der komplette Kühlkörper – ein Design, das sowohl Platz als auch Kosten spart“, kommentiert das Team.

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 Projektleiter Wiljan Vermeer. Die vertikale Integration der beiden Eingangs-Stromschienen erlaube zudem, 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“, heißt es. Die Nano-Technologie der Kondensatoren erlaube eine sehr hohe Leistungsdichte, gehe 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.“ Nach konventionellen Maßstäben sei dies noch immer ein sehr hoher Wert. Die überschüssige Wärme werde auf kurzem Weg an den oben beschriebenen Aluminium-Kühler geleitet, über den auch die Wärme der Leistungsmodule abfließt, so die Experten weiter. Dafür sei die Kondensatoren-Einheit unter dem Aluminium-Kühler platziert und innerhalb des Gehäuses integriert, was den benötigten Raum abermals verkleinert.

Das Team ist überzeugt: „Durch die Kombination innovativer Leistungsmodul-, Kondensator- und Kühlkonzepte hebt unser Wechselrichter die 800-V-Antriebstechnik auf ein neues Level.“ Mit 500 Kilowatt seien die gängigen Alternativen um das Fünffache übertroffen, die bisherige Spitzentechnologie um das Zweieinhalbfache. Und die Effizienz von 99 Prozent setzt laut dem Institut ebenfalls neue Maßstäbe – bei zugleich moderaten Herstellungskosten.

Auf der PCIM Europe in Nürnberg wird Wiljan Vermeer den neuen Wechselrichter der Öffentlichkeit vorstellen: vom 9. bis 11. Juni 2026 am Stand des Fraunhofer IZM (Halle 6, Stand).

izm.fraunhofer.de