Forschungsschwerpunkte

Die Energiewende stellt eine der größten Herausforderungen unserer Zeit dar. Ein zentraler Faktor für ihren Erfolg ist die effiziente Nutzung elektrischer Energie, sei es in Haushaltsgeräten, Industrieanlagen oder Elektrofahrzeugen. Ein vielversprechender Ansatz zur Effizienzsteigerung liegt in der Weiterentwicklung von Leistungshalbleitern, insbesondere durch den Einsatz niederinduktiver Leistungsmodule mit Siliziumkarbid (SiC)-Technologie.

Leistungsmodule als Schlüssel zur Effizienz

Leistungsmodule sind entscheidende Bausteine in der Leistungselektronik, da sie für die Steuerung und Umwandlung elektrischer Energie verantwortlich sind. Im Vergleich zu herkömmlichen Silizium-basierten Komponenten ermöglichen Wide Band Gap (WBG)-Halbleiter wie SiC eine deutlich höhere Effizienz, geringere Verluste und höhere Schaltfrequenzen. Diese Vorteile führen zu kompakteren und leistungsfähigeren Systemen, die insbesondere in Elektroautos und erneuerbaren Energiesystemen zum Einsatz kommen.

Eine innovative, niederinduktive B6-Brücke wurde im Rahmen einer Untersuchung des Fraunhofer IZM und Rogers Germany entwickelt. Dieses neuartige Modul setzt auf einen im keramischen Substrat integrierten Mikrokanalkühler mit direkter Wasserkühlung, um thermisch wesentliche Vorteile gegenüber bestehenden Leistungsmodullösungen auszuspielen.

Technologische Innovationen des SiC-B6-Brücken-Leistungsmoduls

Das vorgestellte Leistungsmodul erfüllt zentrale Anforderungen für Hochleistungsanwendungen:

1. Optimierte Wärmeableitung

• Das Modul basiert auf einem Micro Channel Cooler (MCC) mit direkter Wasser-Kühlung.
• Größe des Moldkorpus: 43.6 mm x 89.5 mm x 5.0 mm
• Der thermische Widerstand wird durch eine Kombination aus Siliziumnitrid (Si₃N₄) und den Kupferlagen minimiert.
• Der thermische Widerstand ist mit R_th = 0,475 K/W pro Chip außergewöhnlich niedrig, sodass hohe Leistungsdichten realisiert werden können.

2. Minimierung parasitärer Induktivitäten

• Das Design verzichtet auf klassische Drahtbond-Verbindungen und setzt auf Kupferclips.
• Durch eine optimierte interne Verschaltung wird eine Schaltzellinduktivität von 3.4 nH erreicht.
• Das niederinduktive Design reduziert Schaltverluste und ermöglicht höhere Schaltfrequenzen.

3. Integrierte Silicon-Cap-Technologie von muRata

• Derzeit ca. 4 nF je Phase – Dämpfung der Schwingungen beim Ausschaltvorgang möglich
• Bei höherer verfügbarer Kapazität könnte sie auch die Ausschaltüberspannung stark reduzieren

Vorteile für Elektroautos und erneuerbare Energien

Die Eigenschaften dieses niederinduktiven SiC-B6-Brücken-Leistungsmoduls machen es besonders attraktiv für Anwendungen in der Elektromobilität und erneuerbaren Energien.

• Elektrofahrzeuge profitieren von der höheren Effizienz, da geringere Verluste und kompaktere Bauformen die Reichweite steigern und das Kühlsystem entlasten.
• Wechselrichter für Photovoltaikanlagen können mit höheren Schaltfrequenzen arbeiten, was die Größe und Kosten der Filterkomponenten reduziert.
• Netzgekoppelte Batteriespeicher gewinnen durch die geringe Verlustleistung eine höhere Gesamtwirtschaftlichkeit.

Fazit und Zukunftsperspektiven

Die Weiterentwicklung von niederinduktiven Leistungshalbleitermodulen auf SiC-Basis stellt einen wichtigen Schritt zur Effizienzsteigerung in der Energiewende dar. Die vorgestellte Technologie zeigt eindrucksvoll, wie innovative Verpackungskonzepte und optimierte Schaltungsdesigns zu signifikanten Leistungssteigerungen führen können. Künftige Entwicklungen sollten sich auf die Kapazitätssteigerung der Siliziumkondensatoren konzentrieren, damit das Ausschaltverhalten optimiert werden kann sowie auf eine kosteneffiziente Serienproduktion.

Die konsequente Weiterentwicklung dieser Technologien wird entscheidend sein, um die Herausforderungen der Energiewende erfolgreich zu meistern.