Abschlussbericht DauerPower

Abstract

Nach heutigem Stand der Technik weisen die Antriebsstrangkomponenten nur eine eingeschränkte Dauerleistungsfähigkeit auf, die auf Überhitzung und thermisch bedingte Probleme zurückzuführen ist. SiC-Leistungsmodule der neuesten Generation können bereits auf die Identität von Dauer- und Spitzenleistung ausgelegt werden, während weiterhin thermische Engpässe, insbesondere der Zwischenkreiskondensator, die AC- und DC-Verschienung sowie das Filter, bestehen. Das Projekt hat als Ziel die Entwicklung eines SiC-basierten Antriebsumrichters, der den Wert der Dauerleistung möglichst nah an den Wert der Spitzenleistung heranführt. Zur Erreichung dieser Ziele werden mehrere Innovationen kombiniert. Dazu gehört die Nutzung einer hocheffizienten SiCMOSFET- basierten Leistungsendstufe mit niedriger Streuinduktivität. Zudem werden neuartige Multilayer-Polymerkondensatoren mit optimaler thermischer Anbindung verbaut. Eine neue thermische Gesamtkonzeption auf Wasser/Glykol-Basis wird eingeführt, die den gesamten Zwischenkreis integriert. Der daraus resultierende Flüssigkühler wird mittels 3D-Drucktechnik realisiert. Die durchgeführten Tests zeigen eine signifikante Verbesserung der Leistungsreproduzierbarkeit. Thermische Simulationen belegen eine homogene Temperaturverteilung und eine effektive Wärmeableitung. Messungen am realen Umrichtersystem validieren die Simulationsergebnisse, und es wird nachgewiesen, dass das Hauptziel, eine Dauerleistung von 80% des Spitzenwertes zu erreichen, innerhalb der Baugröße eines als Referenz angenommenen Systems erfolgreich erreicht wurde. Die Kombination mehrerer innovativer Ansätze führte also zur Verbesserung der Dauerleistungsfähigkeit des Umrichters. According to the current state of the art, powertrain components only offer limited continuous performance, which is due to overheating and thermally induced problems. The latest generation of SiC power modules can already be designed to match peak and continuous power, while thermal bottlenecks, especially the DC link capacitor, AC and DC rail, and filter, remain. The aim of the project is to develop a SiC-based drive inverter that brings the value of continuous power as close as possible to the value of peak power. To achieve these goals, several innovations are combined. This includes the use of highly efficient SiC MOSFET-based power semiconductor modules with low stray inductance. In addition, novel multilayer polymer capacitors with optimal thermal connection will be installed. A new overall thermal concept based on water/glycol is introduced, which integrates the entire DC-link circuit. The resulting liquid cooler is realized using 3D printing technology. The tests performed show a significant improvement in performance reproducibility. Thermal simulations demonstrate homogeneous temperature distribution and effective heat dissipation. Measurements on the real inverter system validate the simulation results, and it is proven that the main goal of achieving continuous power of 80% of the peak value has been successfully achieved within the size of a conventional system assumed as a reference. The combination of several innovative approaches thus led to an improvement in the continuous performance of the inverter.