STRUKTURSTUDIE - page 26

Kapitel 2
Während elektrische Maschinen kurze Zeit im Überlastbereich
betrieben werden können ohne zu überhitzen, muss die Auslegung
der Leistungselektronik auf maximale Ströme hin erfolgen. Dies
führt zu erhöhten Kosten und größerem Aufwand. Bei der Kon-
zeption der Leistungselektronik müssen die Kosten, Verfügbarkeit,
Performance, Gewicht und Package des Systems so gut wie mög-
lich gemeinsam optimiert werden, um zu einem für die jeweiligen
Anforderungen optimalen Ergebnis zu kommen.
INVERTER
Im Hybrid- oder Elektrofahrzeug werden wie im vorherigen Kapi-
tel beschrieben fast ausschließlich Drehstrommotoren eingesetzt.
Deswegen muss die elektrische Energie aus dem Energiespeicher
entsprechend angepasst werden. Die Steuerung der Energie zwi-
schen Batterie und elektrischer Maschine erfordert eine elektro-
nische Stelleinrichtung, den Inverter (auch Wechselrichter oder
Pulswechselrichter genannt). Damit wird die Energie der Batterie
(Gleichstrom bzw. -spannung) in die für den Betrieb des Elektromo-
tors notwendige Form (mehrphasige Wechselspannung mit ver-
änderlicher Frequenz, Amplitude und Phasenlage) umgewandelt,
wodurch sich Motordrehzahl und -drehmoment einstellen lassen.
Der Inverter besteht aus Leistungsmodul, (Zwischenkreis-)Kon-
densator, einer Elektronik (Controller, Software) zur Steuerung des
Leistungsmoduls, elektrischen Anschlüssen, Gehäuse und Küh-
lung. Das Leistungsmodul umfasst einerseits verschiedene Hoch-
leistungs-Halbleiterelemente. Dabei handelt es sich um Dioden
(meist Schottky-Dioden) und Transistoren (MOSFETs bei Spannun-
gen bis ca. 200 V, IGBTs bei höheren Spannungen). Zum anderen
zählen Emitter und Kollektoren, Bonddrähte und Keramikplatten
(DCB-Layer; tragen die elektronischen Komponenten) zum Leis-
tungsmodul. Die am häufigsten eingesetzte Schaltungs-Topologie
zur Umrichtung einer Spannung in elektromobilen Antriebskon-
zepten ist die B6-Brückenschaltung, die sich aus je 6 Transistoren
und Dioden zusammensetzt. Sie wird durch Emitter und Kollektor
über einen Zwischenkreis mit dem Energiespeicher des Fahrzeugs
verbunden. Im Zwischenkreis kommt ein Kondensator zum Einsatz,
der die Eingangsspannung glättet und heute mehrheitlich als Foli-
enkondensator ausgebildet ist. Aufgrund der hohen Spannung und
notwendigen Kapazität kann der Zwischenkreiskondensator ein
beträchtliches Bauvolumen erreichen. Er hat damit einen hohen
Einfluss auf die Leistungsdichte des gesamten Inverters. Ferner
stellt er ein kritisches Bauteil dar, welches neben dem Leistungs-
modul die Zuverlässigkeit des Wechselrichters entscheidend
mitbestimmt. Zwischenkreiskondensator und Leistungsmodul ver-
ursachen auch einen Großteil der Kosten des Inverters [Kampker
(2014)]. Abbildung 14 zeigt den Inverter und seine wesentlichen
Bestandteile im schematischen Aufbau.
In Leistungsmodulen für elektromobile Antriebskonzepte werden
derzeit mehrheitlich Halbleiterelemente aus Silizium verwendet.
Hiermit lassen sich allerdings unter anderem aufgrund der rela-
tiv geringen Temperaturbeständigkeit des Materials nur Inverter
mit begrenzter Leistungsdichte realisieren. Deswegen behandeln
aktuelle Entwicklungsarbeiten den Einsatz und die Fertigung von
Halbleitern aus höherwertigeren Materialien. Dazu zählen Gal-
liumnitrid (GaN) und Siliziumkarbid (SiC). Diese erlauben neben
höheren Anwendungstemperaturen auch kleinere Bauteilabmes-
sungen und höhere Schaltfrequenzen. Insbesondere Halbleiter-
elemente aus Siliziumkarbid sind heute jedoch noch wesentlich
teurer als Standardbauteile. Ein weiterer Ansatz zur Erhöhung der
Leistungsdichte besteht in der dreidimensionalen Anordnung der
Leistungsmodule. Die dafür erforderlichen Produktionstechnolo-
gien zählen ebenfalls zu den Entwicklungsaktivitäten bezüglich
der Inverter für elektromobile Antriebskonzepte [Hofmann (2014);
Peters (2012)].
Steuerungselektronik
Leistungsmodul
Gehäuse einschließlich Kühlkanälen
Stecker, Sensoren, Kleinteile
Zwischenkreiskondensator
Abbildung 14: Wesentliche Bestandteile eines Inverters.
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Eigene Darstellung; Bildmaterial: SEMIKRON (2011).
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