antriebstechnik 5/2026

UMRICHTERTECHNIK

UMRICHTERTECHNIK BATTERIEBETRIEB WECHSELRICHTER MIT HOHER LEISTUNGSDICHTE 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 erneut grundlegend weiterentwickelt: Ein neuartiger Inverter verarbeitet 500 KW Leistung bei einem Volumen von nur einem Liter und erreicht dank seiner extrem niedrigen Induktivität einen Wirkungsgrad von 99 Prozent. Kräftige Elektromotoren werden meist mit Drehstrom angetrieben, sogenanntem Dreiphasenwechselstrom. Das gilt auch für aktuelle Elektroautos, deren Batterien die Energie allerdings als Gleichstrom bereitstellen. Für die Umwandlung in Drehstrom sorgt der Wechselrichter, das Herzstück im Antriebsstrang. Unter der Motorhaube eines Elektroautos ist der verfügbare Platz begrenzt, also gilt auch hier: je kleiner, desto besser - natürlich bei gleicher Leistung. Die Gruppe Power Electronic Systems des Fraunhofer IZM befasst sich mit diesem Feld: Im Auftrag von Mitsubishi Heavy Industries (MHI) entwickelten Wiljan Vermeer und seine Kolleginnen und Kollegen vom Fraunhofer IZM einen kostengünstigen Wechselrichter, der bei einer Effizienz von 99 Prozent ganze 0,5 MW Leistung liefert (knapp 680 PS), aber nur einen Liter Volumen beansprucht. Das konnte nur mit einem geschickten Kunstgriff gelingen. ZWÖLF SIC-HALBLEITER PRO EINGEBETTETEM LEISTUNGSMODUL Genau genommen sind es gleich vier Kunstgriffe, die dem Wechselrichter den richtigen Dreh verleihen. Es beginnt mit dem Leistungsmodul, das in dreifacher Ausführung zum Einsatz kommt, je eines pro Phase. Die Module 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. STRANGGEPRESSTER ALUMINIUMKÜHLER 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 V pro Nanosekunde möglich wird. Da dieses schnelle Schalten mit wenig Verlusten einhergeht, ist vergleichsweise wenig Kühlleistung erforderlich. Und damit zum zweiten Kniff. Dr. Wiljan Vermeer, Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM, Berlin 24 antriebstechnik 2026/05 www.antriebstechnik.de

UMRICHTERTECHNIK 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. 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. SMARTES DESIGN - VOM LASER GESCHWEISST 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. Nebenbei bemerkt 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. NANOLAM-KONDENSATOREN - THERMISCH ENTLASTET 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 µF 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. Hochintegrierter Wechselrichter mit einer Leistungsdichte von 500 kW/l, optimiert für maximale Leistungsdichte „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 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. Die Effizienz von 99 Prozent setzt neue Maßstäbe - bei zugleich moderaten Herstellungskosten für dieses zukunftsweisende Gesamtpaket. Bilder: Fraunhofer; Yucel Yilmaz- stock.adobe.com www.fraunhofer.de DIE IDEE „Durch die Kombination innovativer Leistungsmodul-, Kondensator- und Kühlkonzepte hebt unser Wechselrichter die 800-V-Antriebstechnik auf ein neues Level. Mit 500 Kilowatt, also 0,5 Megawatt pro Liter, sind die gängigen Alternativen um das Fünffache übertroffen, die bisherige Spitzentechnologie um das Zweieinhalbfache.“ Dr. Wiljan Vermeer, Fraunhofer IZM, Berlin www.antriebstechnik.de antriebstechnik 2026/05 25