Kryogene Leistungselektronik

Motivation

Zu sehr tiefen Temperaturen hin reduzieren sich die Verluste vieler Leistungshalbleiter und Leitermaterialien drastisch. Dies bietet sehr großes Potential zur Erhöhung der Leitungsdichte und Effizienz leistungselektronischer Wandler.

Herausforderungen

Für die Dekarbonisierung der Luftfahrt ist der Einsatz von flüssigem Wasserstoff als Treibstoff in kommerziellen Flugzeugen praktisch alternativlos. Zur Realisierung entsprechender elektrischer Antriebsstränge sind Leistungswandler mit höchster Effizienz und gravimetrischer Leistungsdichte erforderlich.

Kryogene Leistungselektronik kann hier mehrere Herausforderungen lösen: Zum einen muss der im Flugzeug vorhandene, flüssige Wasserstoff verdampft und aufgeheizt werden, um ihn in der Brennstoffzelle zu verstromen. Zum anderen muss die elektrische Energie der Brennstoffzelle mit minimalen Verlusten für den Antrieb gewandelt werden, wobei die Leistungswandler im Flugzeug möglichst leicht sein müssen. Durch kryogene Kühlung können Leistungswandler mit höherer Effizienz und reduziertem Gewicht gebaut werden. Zudem helfen die verbleibenden Verluste in der Leistungselektronik, den gasförmigen Wasserstoff für die Brennstoffzelle vorzuheizen.

Die Herausforderungen im Bau kryogener Leistungswandler sind dabei jedoch vielfältig: Sowohl die Auswahl der geeigneten Bauelemente, Materialien und Kühlkonzepte als auch die Berücksichtigung thermo-mechanischer Spannungen und der gesamte Systementwurf müssen speziell auf kryogene Temperaturen abgestimmt sein.

Forschungsthemen