Bauteil der Woche: Wechselrichter

In der Rubrik „Bauteil der Woche“ stellen Teammitglieder in unseren zweiwöchentlichen Gesamtteammeetings ihr Bauteil mit ihren Funktionen und Eigenheiten dem Team vor. Dies wollen wir Euch natürlich nicht vorenthalten. Den Anfang macht der Wechselrichter, den wir in dieser Saison erstmals selbst entwickeln.

Ein wichtiges Bauteil im Antriebsstrang eines Elektrorennwagens ist der Wechselrichter. Er wandelt die von der Hochvoltbatterie kommende Gleichspannung in eine Wechselspannung für die Synchronmaschine um. Da unser Rennwagen vier Radnabenmotoren nutzt werden auch vier Wechselrichter benötigt. Während wir uns in den letzten vier Saisons auf Kaufteile der Firma AMK verlassen haben, die vor allem durch ihre einfache Inbetriebnahme zusammen mit den AMK Synchronmaschinen punkten, setzen wir diese Saison auf eine komplette Eigenentwicklung, die das Potential moderner Technologien wie z.B. integrierter SiC-MOSFETs ausschöpft.
Die größte Arbeit in einem Wechselrichter wird von sechs Transistoren (elektrisch gesteuerte Halbleiterschalter) verrichtet, die die drei Phasen jeweils auf Batterie-Plus oder Batterie-Minus schalten. Anstelle der bewährten IGBTs nutzt unser Wechselrichter SiC-MOSFETs als Transistoren, die in der gleichen Leistungsklasse deutlich kleiner sein können. Durch schnellere Schaltvorgänge können die Verluste im Wechselrichter signifikant reduziert werden. Zudem sind höhere Schaltfrequenzen möglich, die Verluste in den Motoren durch nicht genutzte Oberwellen verringern können. Neben diesem Verbesserungspotential bringen die SiC-MOSFETs allerdings auch eine große Herausforderung mit sich. Die schnellen Schaltvorgänge erzeugen Spannungsüberhöhungen an den MOSFETs, die für die Bauteile sogar zerstörend wirken können. Diese Überhöhung muss durch einen sorgfältigen, besonders niederinduktiven Entwurf der Leiterbahnen zwischen Zwischenkreiskondensatoren und MOSFETs minimiert werden. Zusätzlich werden bei schnellerem Schalten auch stärkere elektrische Störungen ausgesendet, die durch durchdachte Maßnahmen, wie die korrekte Anwendung von Schirmungen, Ableitkondensatoren und Gleichtakt-Absorberkernen, in Zaum gehalten werden müssen.
Ein weiteres Potential liegt in der Auslegung als Vierfachwechselrichter. Durch eine clevere Ansteuerung kann die Strombelastung der Zwischenkreiskapazität verringert und somit die Anzahl der Kondensatoren pro Einzelwechselrichter halbiert werden. Außerdem kann ein Kühlkörper durch die Anordnung in einer Sandwichstruktur für zwei Wechselrichter genutzt werden.
Durch die Nutzung dieser Technologien und Synergien konnte das Gewicht der Wechselrichterelektronik auf 40% und das Volumen auf 30% im Vergleich zum Kaufteil verbessert werden. (Werte geschätzt, wahrscheinlich noch besser)

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