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Hoch hinaus mit Leistungselektronik

Neuartiges Aufbaukonzept für schaltende Leistungselektronik stabilisiert Energieflüsse und mindert Induktivität.

Beispielaufbau eines Leistungselektronikmoduls.
Überall dort, wo elektrische Energie erzeugt, transportiert oder genutzt wird, kommen leistungselektronische Bauteile zum Einsatz. Diese werden in Modulen zusammengefasst, wobei jedes Modul mehrere Bauteile, sogenannte Leistungshalbleiter, beinhaltet. Die Leistungshalbleiter sind so konfiguriert, dass sie den Energiefluss bedarfsgerecht steuern. Für die verlustarme Steuerung werden die Leistungshalbleiter schaltend betrieben. Je höher die Schaltfrequenz, desto geringer sind Platzbedarf und Gewicht solcher Systeme. Deshalb sind diese Module vorteilhaft für elektrische Antriebe in Elektroautos und Windkraftanlagen. Um hohe Schaltfrequenzen zu ermöglichen, muss jedoch eine ungewollte Eigenschaft der Leistungsmodule minimiert werden – die Induktivität. Deren negative Auswirkungen sind langsamere, verlustreiche Schaltvorgänge sowie mögliche Schädigungen der Leistungshalbleiter bis hin zu Systemausfällen.

Gängige leistungselektronische Module sind in Schichten aufgebaut: Auf ein nichtleitendes Trägersubstrat folgen Leitungsstrukturen, auf welche Leistungshalbleiterchips aufgebracht sind. Die Verbindung zu externen Systemen erfolgt mittels voluminöser Steck- oder Schraubkontakte. Nachteilig an dieser Bauweise sind die ungewollte Induktivität und geringe Integrationsmöglichkeiten für weitere elektronische Komponenten.

Forscher des KIT-Instituts für Prozessdatenverarbeitung und Elektronik (IPE) haben eine neuartige Bauteilanordnung entwickelt, die die Ausführung niederinduktiver Module ermöglicht. Hierzu wird ein plattenförmiges Verbindungselement senkrecht zum Hauptsubstrat aufgebracht, welches die Leistungselektronik mit der Schaltung verbindet. Es trägt sowohl Hin- wie auch Rückleiter, die Komponenten werden dadurch mechanisch und elektrisch verbunden. Die kompakte Bauweise erfordert weniger Platz auf dem Modulsubstrat.

Mithilfe des neuen Aufbaukonzepts können Schaltzeiten, Kühlaufwand und Produktionszeiten reduziert werden. Der modulspezifischen Ausgestaltung des Verbindungselements sind dabei kaum Grenzen gesetzt. Beispielsweise kann der Verbinder gleichzeitig die Funktion eines Kondensators erfüllen, indem er aus mehreren metallischen und keramischen Lagen aufgebaut ist.

Das KIT sucht Partner zur Weiterentwicklung und zum industriellen Einsatz der Technologie.

Ihr Ansprechpartner für dieses Angebot

Frauke Helms, Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Innovationsmanagerin, Innovations- und Relationsmanagement (IRM)
Telefon: +49 721 608-25335

E-Mail: frauke.helms@kit.edu

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