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Kompakte Elektronik für Motoren

27.05.2015

Siemens hat zusammen mit Partnern neuartige keramische Leiterplatten entwickelt, um eine kompaktere und zuverlässigere Elektronik für Umrichter zu realisieren.

Die neue Technik macht die Schaltungen robuster gegen elektromagnetische Störungen und eröffnet die Möglichkeit, den Umrichter platzsparend direkt in den Antrieb zu integrieren. Das Forschungsprojekt Kairos war auf Elektroautos zugeschnitten, von den Ergebnissen können aber alle industriell genutzte elektrische Antriebe profitieren, beispielsweise für Produktionsanlagen.


Neuartige keramische Leiterplatte aus weißem Aluminiumoxid mit dicker Kupferkaschierung (rechts). Auf der Leistungsplatine ist eine blaue keramische Steuerplatine montiert (links). Bild: BMBF-Förderprojekt KAIROS

Projekt KAIROS - Keramische Leiterplatten für robuste Elektronik

Im Fokus stand die Integration von Steuer- und Leistungselektronik des Umrichters in einer Einheit. Dies erreichten die Partner mit speziellen keramischen und wassergekühlten Leiterplatten sowie mit einer hochspannungssicheren Kopplung. Die Arbeiten wurden vom Bundesforschungsministerium (BMBF) im Programm „Schlüsseltechnologien für die Elektromobilität (STROM)“ gefördert.

Kurze Verbindungsleitungen verringern elektromagnetische Einflüsse auf Elektronik

Umrichter versorgen Elektromotoren mit passgenauer Wechselspannung für die jeweils anliegende Last. Die Leistungselektronik im Umrichter schaltet sehr schnell sehr hohe Ströme. Das verursacht elektromagnetische Felder, die zum Beispiel elektrische Leitungen in der Umgebung stören. Betroffen sind unter anderem die Verbindungsleitungen zwischen der Steuer- und der Leistungselektronik des Umrichters.

Um die Störungen zu unterbinden, müssen die Kabel entsprechend abgeschirmt werden. Im Projekts Kairos (Keramische Aufbau- und Integrationstechnik für robuste Signal- und Leistungselektronik) minimierten die Forscher die Länge der Leitungen zwischen Steuer- und Leistungselektronik, um die elektromagnetischen Einflüsse zu verringern.

Ladungsrückgewinnung macht den Umrichter energieeffizienter

Normalerweise ist die Steuerung auf einer herkömmlichen Kunststoff-Platine montiert, während die Leistungselektronik aufgrund der hohen Ströme keramische Leiterplatten erfordert. Forscher der globalen Siemens-Forschung Corporate Technology (CT) entwickelten nun eine spezielle Keramik-Leiterplatte für die Steuerung, die sie direkt auf die Leistungselektronik-Platine montierten.

Dadurch ist der Aufbau insgesamt dichter, so dass die sich entwickelnde Wärme auf kleinerem Raum abgeführt werden muss. Die Projektpartner realisierten deshalb eine spezielle Wasserkühlung für die Leistungselektronik-Platine. Die neue Lösung ist deutlich kompakter und temperaturstabiler als bisher und kann deshalb direkt in den Antrieb integriert werden.

Eine Herausforderung war die galvanische Trennung zwischen der Autobatterie mit 400 Volt Spannung und der Steuerelektronik, die mit 15 Volt arbeitet. Aufgrund des geringen Platzangebots brauchte man eine kompakte Lösung, um zu verhindern, dass die hohe Spannung auf die Steuerelektronik überschlägt.

Den Siemens-Forschern gelang diese Entkopplung mit einem speziellen Transformator. Zusätzlich entwickelten die Projektpartner einen anwendungsspezifischen Chipsatz – oder ASIC. Dieser erlaubt es, die Ladung, die für die Schaltvorgänge in der Leistungselektronik nötig ist, wieder in die Batterie zurückzuspeisen. Damit arbeitet der Umrichter energieeffizienter.

Keramik-Leiterplatte auch in industriellen Elektromotoren einsetzbar

Projektpartner waren neben Siemens das Fraunhofer Institut für Keramische Technologien und Systeme, der Lehrstuhl für Elektronische Bauelemente der Universität Erlangen-Nürnberg, ContiTemic, Curamik Electronics sowie Via electronic.

Weitere Informationen: www.siemens.com

Dr. Norbert Aschenbrenner | Siemens - Pictures of the Future

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