Mitsubishi Electric Bidirektionaler 100-kW-Wandler in unter einem Liter

24 cm × 18 cm × 1,7 cm groß ist der DC-DC-Wandler von Mitsubishi Electric, der 100 kW kontinuierlich und bidirektional bereitstellt.
24 cm × 18 cm × 1,7 cm groß ist der DC-DC-Wandler von Mitsubishi Electric, der 100 kW kontinuierlich und bidirektional bereitstellt.

Einen 100 kW starken DC-DC-Wandler mit einer Leistungsdichte von 136 kW pro Liter hat Mitsubishi Electric entwickelt. Möglich macht dies das Einbetten aller Komponenten der Kommutierungsschleife in das gleiche Substrat.

Mitsubishi Electric hat eine neue Technologie entwickelt, um Leistungshalbleiter, passive Bauteile, Sensoren und andere Komponenten in dasselbe Substrat zu integrieren. Diese Technologie setzte das Unternehmen in einem 24 cm × 18 cm × 1,7 cm großen DC-DC-Wandler ein, der 100 kW kontinuierlich und bidirektional bereitstellt. Dies ist laut Mitsubishi der Wandler mit der weltweit höchsten Leistungsdichte, denn mit 136 kW/l liegt dieser Kennwert achtmal höher als bei herkömmlichen Systemen. Es ist anzunehmen, dass die neue Technologie dazu beitragen wird, Leistungselektronikgeräte zu verkleinern.

Durch die neue Integrationstechnologie lässt sich die parasitäre Induktivität der Kommutierungsschleife auf weniger als 1 nH reduzieren; das ist weniger als ein Zehntel des Wertes bei konventionellen Wandlern. Daraus ergibt sich ein sauberes Schaltverhalten, wodurch eine sehr schnelle Kommutierung bei hohen Schaltfrequenzen möglich wird, wie sie Siliziumkarbid-MOSFETs möglich machen. Auf diese Weise lassen sich die passiven Bauelemente, zum Beispiel voluminöse Drosseln und Kondensatoren, erheblich verkleinern.

Hintergründe und Details

Bei konventionellen Leistungswandlern ist die parasitäre Induktivität der Kommutierungsschleife groß, da das Packaging Bonddrähte und passive Komponenten beinhaltet, die sich außerhalb des Gehäuses befinden (rote Linie in Abb. 1 unten). Durch das schnelle Schalten bei großer parasitärer Induktivität schwingt die Spannung recht stark (rote Linie in Abb. 2). Diese können Leistungshalbleiter beschädigen und den Störpegel erhöhen. Um dies zu vermeiden, wird die Schaltgeschwindigkeit gezielt begrenzt (schwarze Wellenform in Abb. 2). Allerdings ist das ineffizient, weil die Schaltverluste bei so einer langsamen Kommutierung groß sind (Abb. 3). Außerdem begrenzt die niedrige Arbeitsfrequenz die Möglichkeiten, die Drosseln zu verkleinern.

Mit der neuen Technologie von Mitsubishi Electric lassen sich die verschiedenen Komponenten in dasselbe Substrat einbetten. Dadurch sinkt die parasitäre Induktivität der Kommutierungsschleife (rote Linie in Abb. 4) auf Werte unterhalb von 1 nH. Infolgedessen kann der Leistungswandler mit hoher Geschwindigkeit schalten, wofür SiC-Bauelemente prädestiniert sind (Abb. 5). Da der Wandler mit hoher Frequenz arbeiten kann (Abb. 6), lassen sich passive Bauelemente um bis zu 80 Prozent verkleinern.

Zu künftigen Entwicklungen vermeldete Mitsubishi Electric, dass man durch die Verwendung multifunktionaler Komponenten weitere Stufen der Integration erforscht werde.