Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZMIsolierte Single Chip Packages für die urbane Mobilität im Luftverkehr
Das Projekt TELEV (Technologische Befähigung hybrid-elektrischer Antriebssysteme für bemannte Fluggeräte durch die Erforschung luftfahrtgerechter Leistungselektronik, -verteilung und Steuerung) zielt auf die systematische Untersuchung von Technologien ab, die notwendig sind, um derartige Konfigurationen auf das für die Luftfahrt notwendige Leistungsniveau zu bringen. Hierzu wurden gezielt Technologien für luftfahrtgerechte Leistungselektronik und -verteilung sowie Steuerungen erforscht. Das Fraunhofer IZM hat sich hierbei auf die Entwicklung eines luftgekühlten Antriebsumrichters für den Rotor eines eVTOLs (Electric Vertical Take-Off and Landing Vehicle) fokussiert insbesondere auf das Herzstück, die Leistungsmodule. Dabei wird ein Wirkungsgrad von 99 % angestrebt, um die Batteriemasse zu minimieren bzw. die Reichweite zu erhöhen.
Zur Umsetzung dieses ambitionierten Ziels stehen zwei Innovationen im Fokus, zum einen die Entwicklung isolierter Single Chip Packages für die Leistungshalbleiter und zum anderen das Design eines ausgeklügelten Luftkühlungskonzepts, das auf zwei Spreizmechanismen basiert.
Wärmeverteilung im Umrichter Dabei wird erstens die konzentrierte Verlustwärme der verwendeten Single Chip Packages (SMD-Bauteil mit einem eingebetteten MOSFET) zunächst vertikal und dann horizontal zu den auf der Mantelfläche befindlichen Kühlrippen geleitet. Dadurch wird eine große Spreizung erreicht und die Wärme auf die gesamte Länge der Kühllamellen verteilt.
Zweitens werden die insgesamt 60 SiC-MOSFETs der B6-Brücke auf die gesamte Umfangsfläche des Gehäuses verteilt. Durch diese physische Verteilung der Halbleiter wird die Verlustwärme großflächig in den Kühlkörper eingetragen und somit eine weitere Wärmespreizung schon bei der Entstehung der Verluste erreicht. Dadurch kann zusätzliche Fluidkühlinfrastruktur vermieden werden, was zu einer Gewichtsersparnis und einer erhöhten Zuverlässigkeit führt.
Das Single Chip Package
Die zweite Innovation steckt in der Entwicklung der Single Chip Packages. Mithilfe der Leiterplatten-Einbetttechnologie, einem etablierten, großformatigen und preiswerten Fertigungsprozess, werden die Einzelchips eingebettet und um eine keramische Basisisolierung zur Unterseite erweitert. Dabei ist der implementierte Einzelchip, ein 1200 V SiC MOSFET, durch alle gängigen Leistungshalbleiter, vornehmlich SiC, einfach austauschbar. Auch die Spannungsklasse kann weiter bis auf mindestens 3.3 kV Typen erhöht werden.
Dadurch entsteht aus einem fragilen, nicht isolierten Bare Die, der in der Handhabung sehr aufwändig ist, ein robustes und einfach handhabbares SMD-Bauteil mit thermisch niederimpedantem Pfad zum Kühlkörper, elektrischer Basisisolierung und Kriechstreckenanforderungen in einem kompakten, niederinduktiven Package.
Dies führt zu einer enormen Vereinfachung der gesamten Aufbau- & Verbindungstechnik im Leistungsmodulherstellungsprozess und ermöglicht nicht nur extrem flache, niederinduktive, preiswerte sowie leichte Gesamtinverteraufbauten sondern erweitert zusätzlich den Herstellerkreis innovativer Inverterprodukte, da die benötigte Infrastruktur zur Fertigung solcher Leistungsmodule stark reduziert wird.
Der Umrichteraufbau
In diesem Projekt wurden die Single Chip Packages auf der Leistungsmodulleiterplattenunterseite implementiert, zu einer Halbbrücke verschaltet und mittels Schraubkraft über eine Wärmeleitfolie an den Kühlkörper gepresst. Ebenfalls an der Unterseite in der Mitte befinden sich die DC-Link-Kondensatoren, die sehr niederinduktiv mit der Schaltzelle verbunden sind. Auf der Oberseite befinden sich die DC+/- Anschlüsse, die Phasenanschlüsse für die Motorphasen mit den dazugehörigen Hallstromsensoren sowie die Anschlussstecker zur darüber befindlichen Treiber-/ Contollerleiterplatte, die den Inverter komplettieren. Der Umrichter ist bei einer Zwischenkreisspannung von 800 V auf eine Gesamtleistung von 130 kVA ausgelegt, womit ein Motor von mindestens 100 kW getrieben werden kann. Ermöglicht wurde das Projekt durch Fördermittel des BMWK über den Projektträger Luftfahrtforschung des DLR.