Die neue Technik aus dem Hause Siemens soll die Schaltungen robuster gegen elektromagnetische Störungen machen und die Möglichkeit eröffnen, 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.
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.
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.
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 V Spannung und der Steuerelektronik, die mit 15 V 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.
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.
