Akronym
Highly Reliable Cryogenically Cooled Gallium Nitride (GaN) Based Integrated Power Circuit (IC) for Electric Aircraft Drivetrains
Hochzuverlässiges, kryogen gekühltes GaN-Leistungsmodul für elektrische Antriebsstränge in der Luftfahrt

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.

Dieses Projekt wird im Rahmen des Luftfahrtforschungsprogramms (LuFo VII-1) gefördert.

Vorstellung der Projektpartner und Teilvorhaben

Das Teilvorhaben der TUC fokussiert sich auf die Erarbeitung des werkstoffwissenschaftlichen Verständnisses der thermischen und mechanischen Materialeigenschaften, sowie den Fehlermechanismus bzw. dem Ausfallverhalten von leistungselektronischen Die-Attaches unter kryogenen Temperaturen.

Die TUC hat ihre Expertise und damit den Arbeitsschwerpunkt im Bereich „Physics-of-Failure“ (PoF) basierten Zuverlässigkeitsuntersuchungen. Aufgrund der holistischen Natur der PoF-Ansätze ist das diesbezügliche Arbeitsspektrum im Projekt breit gefächert. Ein erster Hauptschwerpunkt liegt daher in der mechanischen und thermischen Charakterisierung der verwendeten Materialien der Die-Attaches der GaN-HEMT-Halbleiter. Diese Verbindungen sind kritisch für die Zuverlässigkeit des Gesamtsystems und werden schwerpunktmäßig untersucht. Hierzu werden zunächst die auftretenden Fehlermechanismen während der Materialermüdung eingehend untersucht, bezüglich ihrer Dominanz evaluiert und Guidelines für den Aufbau geeigneter Testvehikel (Design-for-Testability) erstellt. Für kryogene Temperaturen liegen hierzu noch keinerlei verlässliche Informationen vor. Besonders bei der Nutzung von Sinterverbindungen sind hierzu umfangreiche Struktur-Eigenschaftskorrelationen (SEK) erforderlich. Ein großer Vorteil der Verwendung von PoF-basierten Ansätzen ist, dass die Ergebnisse auf andere Lastregime übertragen werden können. So kann daher die mechanische Belastung durch Biegung statt thermo-mechanischer Last eingebracht werden und damit die Ermüdungsversuche massiv beschleunigt werden.

Die hohen Zuverlässigkeits- und Lebensdaueranforderungen der Luftfahrt bedürfen umfassende Lebensdauerbewertung in Lebensdauertests und Lebensdauersimulationen, der im Projekt entwickelten kryogen gekühlten Halbbrücke. Diese Aufgabe übernimmt des Fraunhofer IISB im Projekt CryoGaNIC.

Damit leistet das Fraunhofer IISB einen entscheidenden Beitrag zur Realisierung zuverlässiger kryo-gekühlter Leistungselektronik für die Luftfahrt. Durch die Betrachtung der Lebensdauer in der frühen Phase der Entwicklung der Halbbrücke wird es möglich, frühzeitig die Erkenntnisse der Lebensdauer in das Moduldesign einzubeziehen (Design-for-Reliability) und damit die Zeit bis zur Markeinführung und die Entwicklungskosten in Zukunft stark zu reduzieren. Dafür wird im Projekt das entwickelte Leistungsmodul sowie frühe Prototypen und Subgruppen in einem aktiven Lastwechseltest („Power Cycling Test“ – PCT), als auch in einem passiven Lastwechseltest („Temperaturschock Test“ – TST) geprüft. Basierend auf den Erkenntnissen wird für beide Tests ein Lebensdauer-Digital Twin erforscht.

Die multiphysikalische Entwicklung und Validierung der Aufbau- und Verbindungstechnik und der Schaltungstechnik des angestrebten Leistungsmoduls erfolgt am Lehrstuhl für Leistungselektronik. In thermo-mechanischen Auslegungen werden die Materialauswahl und die konstruktive Gestaltung in Abstimmung mit den beiden Projektpartnern durch FEM-Simulationen analysiert. Elektromagentische Analysen ermöglichen die Extraktion von Schaltungsparasiten, die zur Beurteilung des Schaltverhaltens und der elektromagnetischen Verträglichkeit herangezogen werden. Ein spezieller Fokus liegt zudem auch auf der Studie zu einem stabilen, luftfahrttauglichen Isolationssystem, das experimentell untersucht werden soll. Mittels numerischer Simulationen wird für das Leistungsmodul eine neue Kühlstrategie entwickelt, die die Integration im Flugzeug mitbetrachtet.