Institut für Mechatronik und Leistungselektronik

Das Institut für Mechatronik und Leistungselektronik (MPEI) wurde im September 2025 gegründet, durch die Zusammenführung der Forschungsbereiche Mechatronic Systems (Prof. Schitter, vormals Teil des Instituts für Automatisierungs- und Regelungstechnik, ACIN) und Power Electronics (Prof. Drofenik, vormals Teil des Instituts für Energiesysteme und Elektrische Antriebe). Mit Beginn 2026 wurde das Institut durch eine dritte Professur im Bereich Elektrische Antriebssysteme (Prof. Miric) verstärkt.

Forschung

Das Institut für Mechatronics and Power Electronics betreibt anwendungsorientierte Grundlagenforschung an auf den Gebieten der Mechatronik, der Leistungselektronik, der elektrischen Antriebssysteme, sowie der wissenschaftlichen Instrumentierung, Opto-Elektronik und Messtechnischen Systeme.

Die Vision unserer Forschung ist es, Entwurfsmethoden für Pareto-optimale Systeme in den Anwendungsbereichen Energiewandlung, Messtechnik und Mechatronik zu entwickeln, um in der jeweiligen Umsetzung die maximale Leistungsfähigkeit der zur Verfügung stehenden Technologie zu erreichen. Ein zentrales Element in den jeweiligen Anwendungen ist hierbei die Zusammenarbeit mit Industriepartnern, um an für die Industrie und Gesellschaft relevanten Problemstellungen zu forschen.

Mechatronische Systeme

Der Forschungsbereich Mechatronische Systeme betreibt zukunftsorientierte Forschung auf Gebieten der Präzisionstechnologie, Mechatronik, der wissenschaftlichen Instrumentierung, der In-Prozess-Messtechnik, sowie von High-Tech-Systemen in der additiven Fertigung und in der Halbleiterproduktion. Steigende Anforderungen aufgrund zunehmender Präzision und Zuverlässigkeit sowie wachsendem Durchsatz verlangen nach einem intelligenten, sowohl Hardware als auch Software umfassenden, Gesamtansatz. Die systematische Lösung dieser Herausforderungen, erfordert grundlegende Forschung zur optimalen Integration von Hardwaredesign und Regelungsentwurf. 

Im Anwendungsbereich mechatronischer Systeme fokussiert die Forschung auf die Entwicklung eines integrierten Systemansatzes zum Entwurf hochpräziser und leistungsfähiger Systeme für die Produktion und In-Prozess-Messtechnik in der Hochtechnologie, sowie für die wissenschaftliche Instrumentierung. Bereits in der ersten Phase des Systemdesigns müssen alle für die Anwendung relevanten physikalischen Wechselwirkungen und Komponenten konsequent berücksichtigt werden. Beispiele dieser zu entwickelnden Komponenten sind die mechanische Struktur, Leistungsverstärker, Aktoren, Sensoren, Signalkonditionierung, das Datenakquisitions- und Regelungssystem, Systemsoftware, und die Spezifikationen und Anforderungen der eigentlichen Anwendung. Durch diese systematische Integration können letztendlich mechatronische Systeme mit höchster Präzision und sehr hohen Bandbreiten, wie beispielsweise in Laser-basierter Satellitenkommunikation erforderlich, realisiert werden.

Leistungselektronik

Der Forschungsbereich Leistungselektronik beschäftigt sich mit der Entwicklung innovativer Konzepte für effiziente, leistungsdichte und intelligente elektrische Energiewandlung. Ein besonderer Fokus liegt auf der Integration von Methoden der Künstlichen Intelligenz (KI) in den Entwurfs- und Regelungsprozess, um neue Optimierungsansätze zu erschließen und Entwicklungszyklen zu verkürzen.

Im Bereich der KI-gestützten Leistungselektronik werden insbesondere Reinforcement-Learning-Algorithmen untersucht, die mit Schaltungssimulatoren gekoppelt sind. Diese ermöglichen die automatisierte Synthese und Optimierung von Reglerstrukturen für komplexe Systeme. Erste experimentelle Demonstratoren zeigen das Potenzial dieser Methoden für hochperformante Regelungskonzepte. Darauf aufbauend werden KI-basierte Regelungsverfahren für Mittelspannungsantriebe entwickelt, mit dem Ziel, Effizienz, Dynamik und Robustheit weiter zu steigern.

Ein weiterer Schwerpunkt liegt auf der Mittelspannungsleistungselektronik, insbesondere auf neuen Topologien wie Solid-State-Transformatoren (SST) sowie auf magnetischen Komponenten wie Mittelfrequenztransformatoren (MFT). Ziel ist die Realisierung kompakter und effizienter Systeme im Megawattbereich für Anwendungen in nachhaltigen Energiesystemen, industriellen und Traktionsantrieben sowie der Energieverteilung.

Elektrische Antriebssysteme

Der Forschungsbereich Elektrische Antriebssysteme beschäftigt sich mit der Entwicklung moderner, hochintegrierter Antriebslösungen. Im Mittelpunkt steht die ganzheitliche Betrachtung des Systems aus elektrischer Maschine, Leistungselektronik und Regelung, mit dem Ziel, Effizienz, Leistungsdichte und Funktionalität zu maximieren. Anwendungen in Robotik, Automatisierung, Medizintechnik und Halbleiterfertigung erfordern dabei neuartige Systemkonzepte.

Ein besonderer Fokus liegt auf der Entwicklung neuer Antriebstopologien, insbesondere Stromquellenumrichter (Current Source Inverter, CSI) in Kombination mit modernen Halbleitern wie SiC und GaN. Ergänzend werden Modulations- und Regelungsverfahren untersucht, um das Zusammenspiel von Maschine und Umrichter zu optimieren und Verluste sowie Systemkomplexität zu reduzieren.

Darüber hinaus umfasst die Forschung netzgespeiste Antriebssysteme sowie drahtlose Energieübertragung für bewegte Anwendungen, um kabelgebundene Lösungen zu ersetzen. Ziel ist die Realisierung robuster und hochperformanter Antriebssysteme für zukünftige industrielle Anwendungen.

Lehre

Die enge Verbindung von Forschung und Lehre am MPEI bietet Studierenden einen direkten Bezug zu aktuellen Themen – insbesondere im Zuge von Vertiefungsprojekten und Abschlussarbeiten. Durch die Einbindung moderner Anwendungen in die Lehrveranstaltungen wird nicht nur die Motivation gesteigert, sondern auch die Relevanz der Ausbildung für den Arbeitsmarkt sichergestellt.Forschungsthemen entstehen in Kooperation mit Unternehmen, was die Praxisnähe erhöht und Absolvent_innen attraktiv für den Arbeitsmarkt macht.

Das Lehrangebot umfasst Grundlagenveranstaltungen sowie Vertiefungsvorlesungen. Aktuell relevante Beispiele für die forschungsgeleiteten Lehre ist die Lehrveranstaltung „Leistungselektronik-2“, die sich mit Multi-Zellen-Umrichtern und EMV-Herausforderungen in Anwendungsbereichen wie E-Mobilität oder PV-Solaranlagen beschäftigt, oder der Entwurf und die Regelung von Positioniersystemen für die Halbleiterproduktion in Lithographiesystemen, welche in „Mechatronische Systeme“ detailliert behandelt werden.

Durch die Kombination von Forschung, Lehre und Industriekooperationen entsteht ein Lernumfeld, das Theorie und Praxis in relevanten Beispielen zusammenführt und so Absolvent_innen zu gefragten Fachkräften macht.

Mitwirkende

Erwähnenswertes