Leistungselektronik bezeichnet ein Teilgebiet der Elektrotechnik, in dem elektrische Energie in Form hoher elektrische Ströme und Spannungen mit elektronischen Bauelementen umgeformt, gesteuert oder geschaltet wird. Dagegen wird in der reinen Elektronik die (geringe) elektrische Leistung nur zur Signal- und Datenverarbeitung benutzt.

Historie

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Mit der Erfindung des ersten Gleichrichters 1902 nahm auch die Leistungselektronik ihren Anfang, bekam jedoch erst später diese Bezeichnung. Der Gleichrichter war ein Gasentladungsgefäß mit flüssiger Quecksilber-Kathode. Diese Quecksilberdampfstromrichter konnten Wechselströme bis zu einigen Kiloampere gleichrichten und vertrugen Spannungen bis über 10kV. Ab 1930 waren diese Quecksilberstromrichter mit einer Gittersteuerung analog zur Röhrentechnik versehen und so ließ sich ein steuerbarer Gleichstrom erzeugen.

1958 wurde bei General Electric der erste steuerbare Leistungs-Halbleiter entwickelt und später als Thyristor bezeichnet. Die folgende Entwicklung brachte eine Vielzahl von weiteren steuerbaren und passiven Leistungshalbleitern hervor, die heute in weiten Teilen der Antriebstechnik Verwendung finden.

Anwendungsgebiete

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Die Leistungselektronik ermöglicht vor allem die Umformung elektrischer Energie in bezug auf die Spannungsform, die Spannungshöhe und die Frequenz. Die entsprechende Beeinflusssung von Strömen ist ebenfalls möglich. Die Anordnungen zu dieser Umformung werden Stromrichter genannt. Sie unterscheiden sich je nach ihrer Funktion in Gleich-, Wechsel- und Umrichter.

• Umwandlung von Wechselspannung in Gleichspannung durch Gleichrichter
• Umwandlung von Gleichspannung in Wechselspannung durch Wechselrichter
• Umwandlung von Gleichspannung in eine höhere oder niedrigere Gleichspannung durch Gleichstromsteller (DC/DC-Wandler)
• Umwandlung von Wechselspannung in Wechselspannung mit einer anderen Frequenz oder Amplitude z. B. durch Wechselstromsteller oder Frequenzumrichter

Fortschritte der Mikroelektronik führten auch im Bereich der Hochleistungs-Bauelemente zu weiter verbesserten Steuerungs- und Regelungsmöglichkeiten und haben die Leistungselektronik damit weiter an Bedeutung gewinnen lassen.

In der Antriebstechnik lassen sich durch die Steuerungsmöglichkeiten der Leistungselektronik die Betriebspunkte von elektrischen Maschinen sehr flexibel einstellen.
Auch in Bereichen der Energieerzeugung findet die Leistungselektronik immer größere Einsatzgebiete. Gerade in Anlagen mit geringerer Leistung oder Anlagen mit Bedingungen unter denen der klassische Synchrongenerator als Energieerzeuger nicht eingesetzt werden kann, werden Frequenzumrichter eingesetzt, um die erzeugte elektrische Energie ins Stromnetz einzuspeisen.
In der Energieübertragung wird die Leistungselektronik in so genannten Kurzkupplungen zur Frequenzentkopplung zwischen Verbundnetzen eingesetzt. Die gleiche Technik kommt bei der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ, auch Langkupplung genannt), zum Einsatz.

Leistungselektronik gewinnt zunehmend auch im Automobilbau an Bedeutung. In Hybridfahrzeugen (Toyota Prius) wird ein Teil der Antriebsleistung mit dem Elektromotor erzeugt. Daneben braucht es aber auch DC/DC-Wandler, welche die hohe Spannung der Hauptbatterie in die 12V-Bordspannung umsetzen. Zukünftige Autos werden teilweise oder vollständig elektrisch angetrieben. Letzteres gilt insbesondere für Wasserstoff-Fahrzeuge. Diese Fahrzeuge wandeln Wasserstoff mit einer Brennstoffzelle in elektrische Energie um, welche dann mittels Leistungselektronik auf die für den elektrischen Antriebsmotor passende Spannung und Frequenz umgewandelt wird. Brennstoffzellenfahrzeuge benötigen je nach Konzept auch mehr oder weniger leistungsstarke DC/DC-Wandler, welche ein Teil der Energie in Batterien oder SuperCaps zwischenspeichern.

Im HF- Bereich löst die Leistungselektronik die langsam veraltende Röhrentechnik nach und nach ab. Bei sehr hohen Frequenzen werden aber weiterhin immer noch Elektronenröhren eingesetzt. In der Induktionserwärmung dominieren heutzutage kleine Geräte, dank der Leistungselektronik, im unteren Frequenzbereich.

Bauelemente und Schaltungen

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Thyristoren sind Schaltelemente, die den Schaltpunkt durch eine steuerbare Spannung an einer Steuerelektrode beliebig und flexibel einstellen lassen. Sie sind neben dem Gleichrichter die typischsten Bauteile der Leistungselektronik.
Zwei Thyristorelemente in einem Bauteil, die gegenläufig parallelgeschaltet sind und gemeinsam gesteuert werden, werden als Triac bezeichnet.

Gleichrichter dienen dazu, aus Wechselstrom Gleichstrom zu generieren. Sie bestehen im Grunde aus einzelnen Dioden, die erst durch ihre besondere Schaltung gemeinsam zu "Gleichrichtern" werden. Die einzelnen Dioden lenken die jeweiligen Halbschwin-gungen der Wechselstromphase in eine gemeinsame Richtung, daraus entsteht zunächst "gepulster Gleichstrom", der durch weitere elektronische Bauelemente "geglättet" werden kann.

Als "Gesteuerte Stromrichter" werden Gleichrichter-Schaltungen bezeichnet, die statt der Dioden mit unveränderbarer Durchbruchspannung einen flexibel steuerbaren Schaltpunkt wie beim Thyristor haben. Damit lässt sich die Ausgangspannung einer Gleichrichter-Brückenschaltung stufenlos verstellen. Hier verschiebt eine "Anschnittsteuerung" das Einschalten des elektronischen Ventils vom Nulldurchgang zu einem anderen Punkt der Versorgungsspannung.

Phasecut high.jpgAls "Wechselstromsteller" werden Schaltungen mit Thyristoren bezeichnet, mit denen Helligkeitssteuerungen von Lampen, Temperaturregelungen von Heizwiderständen oder Ansteuerungen von Magnetspulen realisiert werden. Zwei gegenläufig parallel geschaltete Thyristoren oder ein Triac schalten jeweils eine Halbschwingung der Wechselstromphase zum angewählten Zeitpunkt ("Phasenanschnitt") durch.

Als Gleichstromsteller werden Schaltnetzteile und Hochsetzsteller (Step Up Converter, Boost Converter) bezeichnet.

Weitere Bauteile sind:

• Diac
• Power BJT
• Power MOSFET
• Integrated Gate-Commutated Thyristor (IGCT)
• IGBT

Leistungsverhalten

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Wegen des hohen Wirkungsgrades, der in der Leistungselektronik in der Regel erreicht wird, kann in der vereinfachenden Theorie die Leistung vor und nach der Umformung gleichgesetzt werden. Damit ist zum Beispiel die gleichstromseitige Leistung bei gutem Gleichstrom für die gesteuerte zweipulsige Brückenschaltung:

$P\; =\; U\_\{di\backslash alpha\}\; \backslash cdot\; I\_d\; =\; U\_\{di\}\; \backslash cdot\; I\_d\; \backslash cdot\; \backslash cos(\backslash alpha)\; =\; U\_1\; \backslash cdot\; I\_1\; \backslash cdot\; cos(\backslash varphi\_1)$

Darin sind $U\_\{di\backslash alpha\}$ die ideelle Leerlaufgleichspannung, $U\_1$ der Effektivwert der sinusförmigen Wechselspannung, $I\_d$ der Gleichstrom, $I\_1$ der Effektivwert der Stromgrundschwingung, $\backslash alpha$ der Steuerwinkel und $\backslash varphi\_1$ der Phasenwinkel der Stromgrundschwingung. Für die genannte Schaltung ist $U\_\{di\}\; =\; 0,9\; \backslash cdot\; U\_1$.

Ein größerer Steuerwinkel $\backslash alpha$ ergibt auch eine größere Phasenverschiebung zwischen Netzstrom und Netzspannung. Neben dem cos $\backslash varphi$ bewirkt auch der nicht sinusförmige Strom Blindleistung. Daher ist in der Leistungselektronik Blind- und Scheinleistung von besonderer Bedeutung.

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