Einleitung
Leistungselektronik wird vor allem zur Strom- und Spannungsumformung von Gleich- zu Wechselgrößen und umgekehrt verwendet. Hauptsächlich besteht diese aus folgenden Komponenten:
- Ansteuerung:
Diese überprüft die Systemgrößen auf Einhaltung der Betriebsvorgaben
und führt die Steuerung bzw. Regelung des Systems durch. - Aktive Leistungsstufe:
Mit Hilfe von Leistungsschaltern (häufig FETs oder IGBTs) wird die Umformung des Strom- bzw. Spannungssignals durchgeführt. - Filter:
Hochfrequente Signalanteile werden gedämpft, um den Verbraucher regelkonform zu betreiben wie auch das speisende Netz vorschriftsmäßig zu belasten. Diese Filterschaltungen bestehen vorwiegend aus passiven Bauelementen (Kondensatoren und Spulen) mit einem meist hohen Volumen und Gewicht. - Kühlung:
Abfuhr der Verluste, die sowohl in Leistungsschaltern als auch in den Filterbauelementen entstehen.
Moderne Halbleitermaterialien für die leistungselektronischen Schalter, wie GaN oder SiC, weisen eine erhöhte Bandlücke auf. Diese ermöglichen, zusammen mit neuen Herstellungstechnologien, einen Betrieb der leistungselektronischen Schalter bei höheren Betriebstemperaturen im Vergleich zu Si-Halbleiterbauelementen. Kompakte Kühlkonzepte werden somit möglich, die den Volumenbedarf des Gerätes reduzieren.
Durch den Einsatz dieser Bauelemente werden hohe Schaltflanken erreicht und die benötigte Schaltenergie reduziert. Für die weitere Miniaturisierung der Leistungselektronik kann somit die Schaltfrequenz erhöht werden. Die benötigten Filterschaltungen können für höhere Frequenzen dimensioniert werden. Dies ermöglicht eine Reduzierung des Filtervolumens. Die Kosten für diese Bauteile werden somit reduziert.
Aktuelle Forschungsaktivitäten
Für die Untersuchung kompakter Leistungselektronik stehen am ILEA folgende Themen im Fokus:
- Untersuchung geeigneter Topologien zur Optimierung des Bauvolumens
- Optimierte Auslegung von passiven, induktiven Bauelementen
- Auswirkung der Ansteuerung der aktiven Bauelemente auf benachbarte Elektronik
Ansprechpartner
Jörg Haarer, M.Sc.
Akademischer Mitarbeiter