Wie sieht die Leistungselektronik für das elektrische Fliegen von morgen aus? Genau hier setzt CryoGaNIC an: Ziel des Projekts ist die Entwicklung eines neuartigen, hochzuverlässigen GaN-Leistungsmoduls, das beidseitig kryogen gekühlt werden kann und dabei höchste Anforderungen der zukünftigen Luftfahrt erfüllt.
Im Projekt entwickelt der Lehrstuhl für Leistungselektronik der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) gemeinsam mit den Partnern TU Chemnitz und Fraunhofer IISB ein innovatives Modulkonzept – mit besonderem Fokus auf die Zuverlässigkeit der Aufbau- und Verbindungstechnik unter extremen Betriebsbedingungen.
Innovation
Die Kühlung mit tiefkalten Medien im Temperaturbereich unterhalb von −150 °C (123 K) bietet enormes Potenzial: Insbesondere GaN-Leistungshalbleiter zeigen bei tiefen Temperaturen deutlich verbesserte Durchlasseigenschaften. Dadurch werden bislang ungekannte Wirkungsgrade sowie eine signifikante Steigerung der gravimetrischen Leistungsdichte leistungselektronischer Wandler möglich – beides entscheidende Hebel für die Elektrifizierung der Luftfahrt.
Gleichzeitig stellen diese extrem niedrigen Temperaturen die Leistungselektronik vor völlig neue Herausforderungen. Im Fokus stehen dabei insbesondere:
- Unbekanntes Materialverhalten: Viele heute eingesetzte Materialien (Substrate, Lote, Dielektrika etc.) sind im kryogenen Temperaturbereich bislang nur unzureichend charakterisiert.
- Thermomechanischer Stress durch Temperaturzyklen: Große Temperaturwechsel verursachen hohe mechanische Belastungen – in Kombination mit verändertem Materialverhalten entstehen neue Ausfallmechanismen und ein erheblicher Bedarf zur Zuverlässigkeits-Neubewertung.
- Neue Anforderungen an Kühlkonzepte: Kryogene Kühlmedien unterscheiden sich thermophysikalisch stark von Wasser oder Luft. Es braucht daher leistungsfähige, neuartige und vor allem sichere Kühlarchitekturen.
- Verschärfte Isolationsanforderungen: Kryogene Bedingungen erhöhen die Anforderungen an Isolationssysteme zusätzlich – insbesondere in Verbindung mit dem reduzierten Luftdruck in Reiseflughöhe.
Damit die Vorteile des Modulkonzepts im Gesamtsystem voll ausgeschöpft werden können, wird CryoGaNIC zudem von einem schlüssigen Integrationsansatz begleitet. Im Zentrum stehen dabei die doppelseitige Kühlung, die Anbindung des elektrischen Zwischenkreises sowie die Beherrschung hoher Ströme auf Systemebene, die durch das neue Modullayout ermöglicht werden.
Dieses höchst anspruchsvolle Anforderungsprofil wird im Rahmen des Projekts von den drei Projektpartnern mit einem innovativen Moduldesign adressiert, begleitet von namhaften assoziierten Industriepartnern.
Ansprechpartner:
Julius Zettelmeier
Lehrstuhl für Leistungselektronik
Wissenschaftliche Mitarbeitende