Schwerpunkte

CeramTec/Fraunhofer IISB

Keramisches Leistungsmodul für die Elektromobilität

10. Juni 2021, 11:00 Uhr   |  Ralf Higgelke

Keramisches Leistungsmodul für die Elektromobilität
© CeramTec

Schaltungsträger und Kühlstruktur in einem bietet das keramikbasierte Leistungsmodul, das CeramTec und das Fraunhofer IISB für Antriebswechselrichter in der Elektromobilität vorgestellt haben

Antriebsumrichter in Elektroautos sind einer hohen Hitzebelastung ausgesetzt. Zudem sollten sie aus möglichst leichten, kompakten und hochtemperaturfesten Komponenten bestehen, dabei einen optimalen Wirkungsgrad erreichen und eine maximale elektrische Leistung zu erzeugen. Halbleiter auf Basis von Siliziumkarbid (SiC) vereinen diese Eigenschaften und sorgen für eine höhere Leistungsdichte bei höherer Schaltfrequenz und gleichzeitige höherer Effizienz.

Für das Thermomanagement des Antriebsumrichters hat CeramTec gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie (IISB) jetzt einen Kühlkörper aus Aluminiumnitrid (AlN) mit Chip-on-Heatsink-Technologie entwickelt, der Schaltungsträger und Kühlstruktur in einem ist. Dadurch lässt sich die Leistungsdichte deutlich erhöhen und die Größe des Leistungsmoduls deutlich reduzieren. Die Metallisierung ist 0,3 mm dick, während der Kühlkörper gerade einmal 10 g wiegt. Keramisches Aluminiumnitrid ist korrosions- und verschleißfest, reibungsarm, leicht, temperaturwechselbeständig und chemisch resistent. Darüber hinaus leitet es thermisch gut, isoliert gleichzeitig aber auch elektrisch.

CeramTec
© CeramTec

Die Pin-Fin-Struktur erfüllt mehrere Hauptfunktionen. Sie vergrößert die wärmeübertragende Oberfläche des Kühlkörpers erheblich. Durch ihre Anordnung wird die Oberfläche der Pin-Fins optimal umspült, sodass die Wärme gut abgeführt werden kann. Gleichzeitig sorgt die Pin-Fin-Struktur auch für hohe mechanische Festigkeit des Kühlkörpers, der somit Druck-, Torsions- und Biegekräfte gut aufnehmen kann.

Der Keramikkühlkörper besitzt eine innere Kühlstruktur. Diese ist als Pin-Fin-Struktur ausgeführt, wobei der Grundkörper bereits entsprechende Zu- und Abflüsse für die Kühlflüssigkeit aufweist. Die Pin-Fin-Struktur erfüllt mehrere Hauptfunktionen. Sie vergrößert die wärmeübertragende Oberfläche des Kühlkörpers erheblich. Durch ihre Anordnung wird die Oberfläche der Pin-Fins optimal umspült, sodass die Wärme gut abgeführt werden kann. Gleichzeitig sorgt die Pin-Fin-Struktur auch für hohe mechanische Festigkeit des Kühlkörpers, der somit Druck-, Torsions- und Biegekräfte gut aufnehmen kann.

CeramTec
© CeramTec

Durch die Gestaltung des Kühlkörpers lässt sich die Wärme der SiC-Halbleiter auf der Oberseite des Kühlkörpers optimal abführen, während der Zwischenkreiskondensator auf der Unterseite des Kühlkörpers über eine Metallisierung, die den Kühler umschließt, niederinduktiv in das Leistungsmodul integriert ist.

Ein weiterer großer Vorteil ist, dass sich die Pin-Fin-Struktur an die Grundfläche der aufgesinterten SiC-Halbleiter anpassen lässt, indem sich unter der Kühlfahne die gleiche Anzahl von Kühlpins befindet. Dadurch lassen sich die Chips optimal kühlen. Durch die Gestaltung des Kühlkörpers lässt sich die Wärme der SiC-Halbleiter auf der Oberseite des Kühlkörpers optimal abführen, während der Zwischenkreiskondensator auf der Unterseite des Kühlkörpers über eine Metallisierung, die den Kühler umschließt, niederinduktiv in das Leistungsmodul integriert ist.

Auf Facebook teilen Auf Twitter teilen Auf Linkedin teilen Via Mail teilen

Das könnte Sie auch interessieren

Verwandte Artikel

Ceramtec, Fraunhofer IISB (Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie)