PCIM 2026 500 kW/l Leistungsdichte: Neuer SiC-Wechselrichter vom Fraunhofer IZM

Das Fraunhofer IZM hat einen Wechselrichter für Elektroantriebe entwickelt, der 500 Kilowatt Leistung bei einem Volumen von einem Liter verarbeitet – ein Vielfaches von gängigen Alternativen. Der für Mitsubishi Heavy Industries (MHI) entwickelte Inverter erreicht einen Wirkungsgrad von 99 Prozent.

Wechselrichter wandeln Gleichstrom aus Batterien in Drehstrom für Elektromotoren um. Da aber insbesondere in Elektrofahrzeugen der verfügbare Bauraum begrenzt ist, kommt es beim Wechselrichter auf eine kompakte Bauweise bei hoher Leistung an.

Das Fraunhofer IZM hat im Auftrag von Mitsubishi Heavy Industries (MHI) einen Wechselrichter entwickelt, der eigenen Angaben zufolge 500 Kilowatt (knapp 680 PS) bei einem Volumen von einem Liter liefert. Das entspricht einer Leistungsdichte von 500 kW/l; höher als bei gängigen Alternativen. Der Wirkungsgrad liegt bei 99 Prozent, so heißt es. Der Wechselrichter wird vom 9. bis 11. Juni 2026 auf der PCIM Europe in Nürnberg am Stand des Fraunhofer IZM in Halle 6 vorgestellt und kann entsprechend dort live begutachtet werden.

Die technischen Daten des 3-phasigen Antriebsumrichters laut Hersteller:

• Leistungsdichte: 500 kVA pro Liter, 500 ARMS pro Phase bei 800 V DC-Spannung

• Schaltgeschwindigkeit: 65 V/ns

• Effektive Induktivität: ca. 1 nH

• Spitzeneffizienz: >99%

Eingebettete SiC-Module mit niedriger Induktivität

Der Wechselrichter nutzt jeweils ein Leistungsmodul für jede der drei Phasen. Jedes Modul wiederum enthält zwölf Siliziumkarbid-MOSFETs von MHI, die auf Basis von PCB-Technologie direkt in die Leiterplatte eingebettet sind. Das Ergebnis sind äußerst kompakte Module, wodurch die parasitären Induktivitäten sehr gering ausfallen. Die effektive Induktivität beträgt ein Nanohenry. Das ist so niedrig, dass ein Schalten der MOSFETs mit 63 Volt pro Nanosekunde möglich wird. Die hohe Schaltgeschwindigkeit hilft dabei, Schaltverluste zu reduzieren, was wiederum den Kühlbedarf reduziert, wie die Ingenieure vom Fraunhofer IZM erklären.

Unter den drei Modulen sitzt ein flacher, stranggepresster Aluminiumkühler, dessen niedriger Aufbau Platz spart und einen kurzen thermischen Pfad vom Halbleiter zum Kühlmittel ermöglicht. Über 40 dünne, leicht gewellte Stege im Inneren bieten dem durchfließenden Kühlmittel ausreichend Oberfläche zum Wärmeaustausch bieten. Der Kühlkörper entsteht in einem Produktionsschritt, sodass nicht nur Platz, sondern auch Kosten gespart werden.

Laserschweißen statt Schraubverbindungen

Als Verbindungstechnik kommt Laserschweißen zum Einsatz. „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 vom Fraunhofer IZM. Die vertikale Integration der beiden Eingangs-Stromschienen positioniert sie nah genug beieinander, sodass ihre Felder sich nahezu aufheben. Das verringert die Induktivität weiter.

In Zusammenarbeit mit dem Unternehmen Polycharge wurden Nanolam-Zwischenkreiskondensatoren speziell für diesen Zweck konfiguriert. Sechs Kondensatoren sind gemeinsam mit den Stromschienen so angeordnet, dass der Gleichstrom-Zwischenkreis trotz seiner Kapazität von 300 Mikrofarad auf eine Gesamtinduktivität von nur zwei Nanohenry kommt. Die Nanolam-Technologie der Kondensatoren ermöglicht eine hohe Leistungsdichte, geht jedoch mit erhöhten thermischen Verlusten einher. „Die Kupferanschlüsse der elektrischen Kontakte dienen dabei gleichzeitig für eine bessere Ableitung der Wärme“, erklärt 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 für 150 °C ausgelegt, wurden jedoch auf 130 °C begrenzt, um die Zuverlässigkeit zu erhöhen. Die Kondensatoren-Einheit ist unter dem Aluminiumkühler platziert und innerhalb des Gehäuses integriert, was den benötigten Raum weiter verkleinert.

Das Projekt zeigt, wie stark moderne Leistungselektronik inzwischen von Packaging, thermischem Management und Systemintegration abhängt, und nicht mehr nur vom Halbleiter. Die Kombination aus SiC-MOSFETs, PCB-Embedding und extrem niedrigen parasitären Induktivitäten ermöglicht sehr hohe Leistungsdichten bei gleichzeitig hohem Wirkungsgrad. Für Anwendungen wie Elektromobilität, Luftfahrt oder Schnellladesysteme gilt das als wichtiger Entwicklungspfad. Gleichzeitig bleibt die industrielle Umsetzung anspruchsvoll, etwa mit Blick auf EMV, Zuverlässigkeit und Fertigungskosten. (sb)

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