Der Einsatz von Leistungselektronik sorgt für ein immer wärmer werdendes Klima, da Verlustleistung in Wärme nach außen abgegeben wird.

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Wärme wird nach außen abgegeben Problemfall: Wärmeentwicklung in der Leistungselektronik

17.06.2022

Fakt ist, dass die Anforderung an die Leistungsfähigkeit der Applikationen auch im Jahr 2022 und wahrscheinlich auch noch in der nächsten Dekade ansteigen wird, die Packungsdichten somit weiter zunehmen werden. Aufgrund des Kostendrucks bei der Herstellung von Gehäusen und Gerätschaften wird zudem heute mehr reingepackt als noch vor sechs Jahren. Welche Folgen das auf die Leistungselektronik hat, erläutert Wolfgang Reitberger-Kunze, GF von ICT Suedwerk.

Am deutlichsten ist der Wandel erkennbar bei den neuen Smartphone-Generationen. Die Packungs-und Leistungsdichten verursachen höhere Verlustleistungen, welche dann im Ergebnis als Wärme abgeführt werden muss. Hierfür wird dann logischerweise mehr Knowhow in aufwendiges Design und Material gesteckt, was zu höheren Kosten und Materialverbrauch und in der Supply-Chain zu weniger Energieeffizienz führt.

Die Ingenieure versuchen zwar bessere Designs zu integrieren und tüfteln auch daran die Elektronik in der Leistung zu begrenzen, damit nur noch ein bis drei Prozent an Verlustleistung verbleiben. Dies geht aber oft auf Kosten und zu Lasten anderer Bereiche in der Packungsdichte. Oft wird auch getrickst und Verlustleistung weggerechnet, damit Unternehmen ein Energieeffizientes Gerät bewerben können.

Wärmeentwicklung

Das Thema Wärmeentwicklung ist heute das wirklich große Problem. Die neueste Halbleitermodule beispielsweise, welche im Bereiche des E-Antriebstrangs und im Bereich der E-Batteriespeicherbereiche in der Elektromobilität arbeiten, liegen oft im Grenztemperaturbereich. Moderne IGBT-Module arbeiten mit „working-temperatures“ von > 175 °C.

Nur ein Beispiel: Zur Schnellbeladung eines modernen E-Fahrzeuges gehen heute durchschnittlich während eines Schnellladezykluses zwischen 5 und 15 Prozent an Energie und Leistung verloren. Dies ist abhängig von der jeweiligen Ladestation, dem Ladestrom und natürlich der Batterieeinheit des E-Fahrzeuges.

Hinzukommt, dass beim Schnellladevorgang bei einigen Fahrzeugen auch noch die Zuleitungspheripherie und die Akkueinheit selber aktiv gekühlt werden muss. Das ist schon enorm, wenn man bedenkt, dass sich bei einer 100-kWh-Ladung im Schnitt zwischen 5 und 15 kWh an Energie in Wärme auflösen - dann kommt man schon ins Grübeln.

Diese Wärme wird unmittelbar an die Umwelt abgegeben, selten wird dabei in Latentwärmespeicher oder effiziente Wärmepumpen investiert! Täglich werden circa eine Million E-Fahrzeuge mit 100 kWh geladen und davon die vorgenannte Verlustleistung einfach als Wärme freigesetzt, eine Riesenüberraschung oder? Und noch schlimmer - viele schlaue Köpfe wissen davon, aber es wird nahezu nichts dagegen getan.

In Tokyo gab es in den Jahren 2010 bis 2015 so heiße Sommer, dass die damalige Stadtverwaltung anordnete, dass alle Klimageräte nur noch zu bestimmten Zeiten betrieben werden durften. Warum die Anordnung werden Sie sich fragen? Lag es an der Stromperipherie, konnte der Strom etwa nicht erzeugt werden? Nein, das alles war es nicht! Es war viel trivialer. Das Betreiben der Klimaanlagen führte im Zentrum von Tokyo zu einer spürbaren Temperaturerhöhung. Was natürlich eine Katastrophe war, denn die etwas kühlere Nacht konnte nicht mehr das Temperatur-Delta senken. Im Ergebnis wurde die Innenstadt heißer, was zu einem Hitzekollaps für Mensch und Natur führte.

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