Leistungselektronik

Leistungselektronik ist ein Teilgebiet der Elektronik und der Elektrotechnik, das sich mit der Umwandlung, Steuerung und Regelung elektrischer Leistung durch Halbleiter-Schaltgeräte befasst. Ziel ist es, elektrische Energie effizient zwischen verschiedenen Spannungs-, Strom- und Frequenzniveaus zu übertragen und Form sowie Qualität der Leistung zu beeinflussen. Typische Einsatzfelder liegen in der Industrie, im Verkehr, in der Energieversorgung und in der Verbraucherelektronik.

Zentrale Bauelemente sind Leistungshalbleiter wie MOSFETs, IGBTs und Dioden sowie Thyristoren, ergänzt durch passive Komponenten wie Spulen, Kondensatoren und Transformatoren. Dazu kommen fortgeschrittene Kühl- und Wärmeabführungssysteme. Die Steuerung erfolgt mit Mikrocontrollern, DSPs oder FPGAs, oft in geschlossenen Regelschleifen, die die Leistung präzise regeln.

Gängige Topologien umfassen Gleichrichter (AC-DC), DC-DC-Wandler (Buck, Boost, Buck-Boost, SEPIC), Wechselrichter (DC-DC-AC) und bidirektionale Converter sowie AC-AC-Wandler. Motorantriebe verwenden invertergestützte Ansteuerung, während erneuerbare Energiesysteme netzgekoppelte oder dezentral arbeitende Umrichter nutzen. Typische Modulationstechniken sind PWM bzw. SPWM sowie andere Formen der Leistungsmodulation.

Leistungselektronik bietet Vorteile wie höhere Effizienz, kleinere Bauformen und flexible Leistungsanpassung, stößt aber auch auf Herausforderungen bei Wärmeabführung, elektromagnetischer Verträglichkeit, Zuverlässigkeit und Schutzsystemen. Trends umfassen den Einsatz von Wide-Bandgap-Halbleitern (SiC, GaN) für höhere Frequenzen und geringere Verluste, fortschrittliche Kühlung, integrierte Schutzfunktionen und zunehmende Digitalisierung.

Sie ist ein zentraler Bestandteil moderner Industrieantriebe, Elektrofahrzeuge, Stromnetze (z. B. HVDC) und energieeffizienter Verbraucher. Internationale Normen und Standards regeln Sicherheit, Leistung und EMI.