© Mesago | Uwe Mühlhäußer
PCIM Europe
https://pcim.mesago.com/events/de.html
Stand/Halle: t.b.a.
Vom 11. - 13.06.2024 findet die PCIM Europe als führende Fachmesse und Konferenz für Leistungselektronik wieder in Nürnberg statt.
Auf der PCIM können Sie das komplette Dienstleistungsspektrum des Fraunhofer IZM im Bereich der Leistungselektronik erleben: vom Systemdesign über Aufbau- und Verbindungstechnik für leistungselektronische Systeme und Zuverlässigkeitsaspekte bis hin zu Kühlkonzepten.
Für die E-Mobilität ist das Laden an öffentlichen Wechselstrom -Netzen eine Herausforderung. Am Fraunhofer IZM ist es nun gelungen, jüngste Errungenschaften aus dem Bereich der Leistungselektronik für die nächste Generation der On-Board- Charger zu kombinieren. Bidirektionale Ladevorgänge bis zu 22 kW werden durch richtungsweisende PCB- und Packaging- Lösungen ermöglicht, die zudem eine maschinelle Fertigung erlauben.
Im Rahmen des europäischen Projekts "HiEFFICIENT" wird die Verwendung von neuartigen und leistungsstarken Halbleitern, sogenannten Wide-Bandgap-Halbleitern, für die nächste Generation von Elektrofahrzeugen untersucht. Das Ziel des Projekts ist die Entwicklung einer effizienten, integrierten Ladeeinheit für Elektrofahrzeuge mit einer Leistung von 22 kW.
Für mobile Ladegeräte (On-Board Charger) in Elektrofahrzeugen ist eine galvanische Isolation zwischen dem Versorgungsnetz und der Fahrzeugbatterie erforderlich. Durch den Einsatz von Galliumnitrid-Halbleitern (GaN) können Schaltfrequenzen im Megahertz-Bereich erreicht werden, was eine Volumenreduzierung durch kleinere magnetische Komponenten ermöglicht. Für die galvanische Isolation und Spannungsübertragung wird ein Sinus-Amplituden-Converter (SAC) verwendet, der schaltungstechnisch eine LLC-Topologie aufweist.
Die Umstellung der Automobile von herkömmlichen Verbrennungsmotoren auf Elektroantriebe stellt eine enorme Herausforderung für die Automobilindustrie dar. Neben hoher Effizienz und geringem Gewicht sind bei hohen Stückzahlen vor allem die Kosten von großer Bedeutung.
In einem On-Board-Ladegerät für die Elektromobilität befindet sich neben einem DC-DC-Wandler, der für die galvanische Isolation zum HV-Fahrzeugnetz sorgt, ein sogenannter Power-Factor-Correction-Konverter (PFC), der als Schnittstelle zum öffentlichen Versorgungsnetz dient. Er sorgt für rein sinusförmige Grundwellenströme (50/60Hz) auf der Eingangsseite.
Ein besonders sperriges und kostenintensives Bauteil ist dabei die PFC-Drossel, die die Spannungsdifferenz zwischen der Spannung im Versorgungsnetz (230V/50Hz) und der Gleichspannung im Spannungszwischenkreis (800VDC) aufnehmen und gleichzeitig den vollen Laststrom (für 3-phasige 22kW-Geräte 32A) tragen muss.
Eine für diesen Zweck neuartige Drossel wird im Rahmen des europäischen Projekts "HiEFFICIENT" entwickelt. Durch den speziellen Aufbau mit vier magnetisch gekoppelten Wicklungen auf jeweils einem separaten Wickelschenkel und der hohen Schaltfrequenz von 140kHz ist es möglich, die Wicklungen in einem Standard-Leiterplatten-Prozess zu fertigen. Als Magnetkern kann ein kostengünstiger Ferritkern mit sehr geringen Ummagnetisierungsverlusten verwendet werden, der ebenfalls maschinell in großen Stückzahlen hergestellt werden kann.
Vorteile/Eigenschaften
Allgemeine Aspekte
Probleme des Wechselrichters
Das vorhandene Mikroklima in Gehäusen ist eine elementare Schlüsselstelle bei der Untersuchung von Fehlern, die auf Feuchte zurückgeführt werden. Aktuell gibt es kaum belastbare Aussagen zu dem mikroklimatischen Bedingungen in Gehäusen.
Im Projekt "RoDosH" wurde das lokale Mikroklima in Gehäusen leistungselektronischer Anwendungen untersucht, um daraus effektive lokale Belastungsbedingungen abzuleiten. Der Fokus lag dabei auf Temperatur, Feuchte und den Anwendungsbedingungen. Das Mikroklima, das im Gehäuse während der Anwendung entsteht, kann nicht direkt aus dem globalen Einsatzprofil entnommen werden. Ziel des Projektes war es daher, die relevanten Einflussfaktoren für die in die Gehäuse der Leistungselektronik diffundierende Feuchte zu ermitteln.
Die Energieversorgung in autonomen Elektrofahrzeugen wird durch zwei Quellen gewährleistet: Neben der Hochvoltbatterie gibt es eine herkömmliche 12V Batterie, die das Auto im Ruhezustand oder in hohen Lastsituationen im Fahrbetrieb versorgt. Sicherheitskritische Komponenten wie Bremse und Lenkung können somit an zwei Energiepfade angebunden werden. Was passiert jedoch, wenn in einem der beiden ein Fehler, zum Beispiel ein elektrischer Kurzschluss auftritt? Damit ein Totalausfall verhindert werden kann, entwickelten Forschende des Fraunhofer-Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM im Projekt HiBord gemeinsam mit Partnern ein elektronisches Trennelement. Dieses isoliert den Fehler im Bordnetz, so dass es nicht zu sicherheitskritischen Situationen kommt. Das Modul wurde bereits erfolgreich in einem BMW i3 in Betrieb genommen.
Das Fraunhofer IZM stellt eine Gehäusealternative zu kommerziell erhältlichen PCB-basierten Leistungs-CSPs vor: ein Mold-basiertes Single Chip Package, das wesentliche Anforderungen an Leistungselektronik-Packages erfüllt, wie z.B. gute Wärmeabfuhr, eine hohe thermische Masse auf der Oberseite für die sinnvolle Integration von Wide Band Gap Halbleitern und auch möglichst geringe Produktionskosten. Der Hauptunterschied zu PCB-basierten Single Chip Packages ist die Verwendung eines isotropen Verkapselungsmaterials, was vorteilhaft für den Package-internen Stress ist.
Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM