Fraunhofer IZM: Neues Kühlkonzept für Hybridmotoren

Mit einem Sandwich-Konzept für eine doppelseitige Kühlung von Leistungshalbleitern will das Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM den thermischen Widerstand in Hybridmotoren um 40 Prozent verringern.

Beim Hybrid-Antrieb werden Verbrennungsmotoren auf engem Raum mit den Umrichtern für die Elektromotoren betrieben. Im Motorraum entstehen Umgebungstemperaturen von über 100°C, was für den Einsatz von Elektronik ungünstig ist.

Das Fraunhofer IZM beschäftigt sich mit der Entwicklung von Aufbau- und Verbindungstechniken für eine doppelseitige Kühlung von Leistungshalbleitern, die eine bessere Ausnutzung des Siliziums erlaubt. Durch zwei annähernd identische Wärmepfade auf der Ober- und Unterseite des Chips lässt sich fast die doppelte Wärmemenge abführen und mehr Strom von jedem Halbleiter schalten. Bei dem neuen Konzept werden die Halbleiter zwischen zwei DCBs gelötet, wobei zunächst ein Brückenzweig (zwei IGBTs und zwei Dioden) in einem Sandwich realisiert wurde. Die Wasserkühlung erfolgt auf der Rückseite der DCBs, um weiteren thermischen Widerstand zu vermeiden.

In einem ersten Demonstrator haben die Fraunhofer-Entwickler auf eine Strukturierung der DCB-Rückseite verzichtet und das Kühlwasser über eine Mäanderstruktur an den DCBs vorbeigeführt (wie beim Shower-Power-Prinzip der Firma Danfoss). Eine Bodenplatte ist nicht nötig, da das Wasser von beiden Seiten auf das Sandwich drückt und die DCBs damit nicht durchgebogen werden. Die mechanische Halterung und die Abdichtung des Kühlkanals übernehmen Gummidichtungen. Sie sorgen auch für eine mechanische Entkopplung zwischen dem Halbleiter-Sandwich und dem Gehäuse. Distanzstücke nehmen die Druckkräfte des Gehäuses auf.