Wechselrichter  Inverter definiert Leistungsdichte neu

Wechselrichter steuern den Energiefluss zwischen Batterie und Motor und entscheiden maßgeblich über Effizienz und Performance. Am Fraunhofer IZM wurde diese Schlüsselkomponente grundlegend weiterentwickelt: Ein neuartiger Inverter erreicht 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 hat auf diesem Feld ein weiteres Mal neue Maßstäbe gesetzt: 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 Megawatt Leistung liefert, aber nur einen Liter Volumen beansprucht.

Der Wechselrichter nutzt drei Leistungsmodule, jeweils eines pro Phase. Diese sind durch einen RC-Dämpfer vom Zwischenkreiskondensator entkoppelt, um unerwünschte Schwingungen und Nebeneffekte zu reduzieren. In jedem Modul sitzen zwölf Siliziumkarbid-Schalter, die als MOSFETs auf Basis von PCB-Technologie direkt in die Leiterplatte eingebettet sind.

Das Ergebnis sind äußerst kompakte Module mit einer extrem kleinen elektromagnetischen Grundfläche. Dadurch wird eine effektive Induktivität von nur einem Nanohenry erreicht. So sind Schaltgeschwindigkeiten am Limit der MOSFETs mit 63 Volt pro Nanosekunde möglich. Aufgrund der geringen Verluste ist zudem weniger Kühlleistung erforderlich.

Stranggepresster Aluminiumkühler

Unter den drei Modulen sitzt ein flacher, stranggepresster Aluminiumkühler. Sein niedriger Aufbau spart Platz und ermöglicht einen kurzen thermischen Pfad vom Halbleiter zum Kühlmittel. Im Inneren sorgen über 40 dünne, leicht gewellte Stege für ausreichend Berührungsfläche zum Wärmeaustausch. Aluminium überzeugt dabei durch geringe Materialkosten und eine wirtschaftliche Herstellung im Strangpressverfahren.

Smartes Design – vom Laser zusammengeschweißt

Als weitere Verbindungstechnik kommt Laserschweißen zum Einsatz. Die Kontaktpunkte der Stromschienen sind so geformt, dass sie direkt auf die Leiterplatte geschweißt werden können. Schraubverbindungen entfallen dadurch, was sowohl Platz spart als auch die Induktivität reduziert. Die vertikale Integration der Eingangs-Stromschienen minimiert die elektromagnetischen Felder zusätzlich.

NanoLam-Kondensatoren – thermisch entlastet

In Zusammenarbeit mit PolyCharge wurden NanoLam-Kondensatoren speziell für diesen Wechselrichter konfiguriert. Sechs Kondensatoren sind gemeinsam mit den Stromschienen so angeordnet, dass der Gleichstrom-Zwischenkreis trotz 300 Mikrofarad Kapazität eine Gesamtinduktivität von nur zwei Nanohenry erreicht.

Da die Nano-Technologie der Kondensatoren mit erhöhten thermischen Verlusten einhergeht, wurde besonderes Augenmerk auf die Wärmeableitung gelegt. Die Kupferanschlüsse dienen gleichzeitig der thermischen Entlastung und verteilen die Wärme gleichmäßig. Die Kondensatoren sind zwar für 150°C ausgelegt, werden aber zur Erhöhung der Zuverlässigkeit auf 130°C begrenzt.

Durch die Kombination innovativer Leistungsmodul-, Kondensator- und Kühlkonzepte hebt der Wechselrichter die 800-V-Antriebstechnik auf ein neues Level. Mit 500 Kilowatt beziehungsweise 0,5 Megawatt pro Liter übertrifft er gängige Alternativen um das Fünffache und bisherige Spitzentechnologie um das Zweieinhalbfache. Die Effizienz von 99 Prozent setzt ebenfalls neue Maßstäbe – bei zugleich moderaten Herstellungskosten.

PCIM Europe 2026: Halle 6, Stand 260