MA – Entwicklung von Kühlkonzepten für kryogene Leistungselektronik

Die Kühlung von GaN-Halbleiterschaltern auf Temperaturen um –150 °C ermöglicht eine Steigerung der Effizienz in mobilen und stationären elektrischen Anwendungen, die flüssigen Wasserstoff (LH₂) als Energiequelle nutzen – beispielsweise in den Antriebssträngen vollelektrischer Brennstoffzellenflugzeuge. Da LH₂ im Tank bereits kryogen bei etwa –250 °C gespeichert wird und für den Einsatz in der Brennstoffzelle auf Eintrittstemperaturen bis +50°C aufgeheizt werden muss, bietet sich eine Nutzung dieser Temperaturdifferenz an. Ein Teil dieser Vorkonditionierung kann durch die Abfuhr der Verlustleistung aus Leistungselektronik, Motoren und Verkabelung erfolgen.

Im Rahmen dieser Masterarbeit sollen mögliche Kühlkonzepte für kryogene Leistungselektronik systematisch untersucht werden. Ziel ist die Entwicklung von Lösungen, die sich als Sekundärkühlkreislauf ohne verschleißanfällige Komponenten eignen und dadurch eine zuverlässige, wartungsarme Kühlung sowie eine sichere Trennung vom Wasserstoffsystem gewährleisten. Die Konzepte sollen zudem auf Systemleistungen bis in den Megawattbereich skalierbar sein.

Als Ausgangspunkt ist eine umfassende Literaturrecherche durchzuführen, die unterschiedliche Ansätze wie Heat-Pipes, Cold-Plates oder Siedebadkühlung sowie geeignete Arbeitsmedien und deren thermophysikalische Eigenschaften berücksichtigt. Besonderes Augenmerk ist auf Systemanforderungen wie Einsatztemperaturbereich, Wärmestromdichte an den Leistungshalbleitern, etc. zu legen – aber auch auf Aspekte wie eine Lagerfähigkeit des geschlossenen Kühlsystems bei Raumtemperatur. Die grundsätzliche Machbarkeit und Leistungsfähigkeit der entwickelten Kühlkonzepte sind anhand analytischer Berechnungen und/oder FEM-Simulationen zu bewertet. Optional kann ein besonders vielversprechendes Konzept in Form eines Demonstrators praktisch umgesetzt und messtechnisch verifiziert werden.

Bearbeiter: Marcel Uhrmann

Betreuer: Alexander Nowak (LEE), Stefanie Büttner (LEE), Julius Zettelmeier (LEE)

Verantwortlicher:  Prof. Dr.-Ing. Martin März