Leistungswandler: kleiner, effizienter, modularer

Die Leistungswandler-Technologie befindet sich im Umbruch: Neue Materialien ermöglichen höhere Schaltfrequenzen und kompaktere Bauweisen. Im Zuge dieser Entwicklung gewinnen auch aktuelle Verbindungstechnologien an Bedeutung, die höhere Effizienz, Miniaturisierung und Funktionalität ermöglichen.

Technologische Grundlagen aktueller Leistungswandler

Der Einsatz von Halbleitertechnologien wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) erlaubt wesentlich höhere Schaltfrequenzen, was kompaktere und effizientere Designs mit verbesserter Reaktionszeit und Regelgenauigkeit ermöglicht. Wide-Bandgap-Halbleiter (WBG) besitzen bessere elektrische Eigenschaften hinsichtlich der Schaltgeschwindigkeit, Spannungsfestigkeit sowie im Hinblick auf Verluste und ermöglichen dadurch bei höheren Temperaturen einen effizienteren Betrieb. Durch die Erhöhung der Schaltfrequenz kann das Gewicht sowie die Größe der passiven Komponenten, wie Kondensatoren, reduziert und Designs kompakter umgesetzt werden.

Hohe Leistungsdichte für energieintensive Systeme

Die Stromwandler, die Server in Rechenzentren und intelligente Fahrzeuge versorgen, müssen in der Lage sein, große Leistung auf kleinerem Raum zu verarbeiten. Neue Materialien und Schaltungstopologien können bei der Entwicklung solcher Bauteile helfen.

 Neue Schaltungstopologien sowie Fortschritte in der Fertigungstechnologie resultieren in immer kleineren Leistungswandlern und stellen hohe Anforderungen an das thermische Management und das elektrische Layout, da enge Packungsdichten und kürzere elektrische Leiterbahnen gleichzeitig zu geringeren Verlusten führen sollen. Die Verwendung von optimierten Kühlkörpern und isolierten Metallsubstraten (IMS) erhöht die Zuverlässigkeit der Leistungswandler und verbessert die Wärmeableitung. Fortschrittliche Energiemanagement-Funktionen ermöglichen eine dynamische Anpassung des Energieverbrauchs nach Lastanforderung.

 Parallel dazu gewinnt die Modularisierung an Bedeutung. Durch standardisierte Baugruppen und Baukastensysteme lassen sich Module flexibel konfigurieren, skalieren und einfacher warten.

 Ergänzt wird dieser Fortschritt durch zunehmend intelligente Systeme mit erweiterten Diagnose- und Überwachungsfunktionen, durch digitale Steuerungstechniken sowie durch die Integration von erweiterten Sicherheits- und Schutzfunktionen. Die Diagnose- und Überwachungsfunktionen ermöglichen eine präventive Wartung, sorgen für eine bessere Fehlererkennung und durch digitale Steuerungstechniken kann die Leistung der Wandler via Software-Updates optimiert werden. Schutzfunktionen gegen Überstrom, Überhitzung und Überspannung sorgen für eine erhöhte Zuverlässigkeit und eine gesteigerte Lebensdauer der Leistungswandler.

Wie isolierte Spannungsmessung Bauraum im Auto spart

Kompakte, effiziente und kosteneffektive Leistungswandler und Motorregler sind heutzutage ein Muss. Denn immer höhere Spannungen sind zu messen und der Platz ist knapp. Isolierte Spannungsmessbausteine bringen alles mit, was diese Anwendungen erfordern.

 Trotz technologischer Fortschritte stehen Hersteller von Leistungswandlern vor anhaltenden Herausforderungen in der globalen Lieferkette. Die Knappheit wichtiger Bauteile – insbesondere Leistungshalbleiter, passive Komponenten und Steuer-ICs – führt zu Verzögerungen und steigenden Kosten. Besonders betroffen sind Wide-Bandgap-Halbleiter wie SiC und GaN, deren hohe Nachfrage und komplexe Herstellung die Verfügbarkeit einschränken.

Verbindungstechnik im Kontext steigender Leistungsdichte

Die beschriebenen technologischen Entwicklungen bei Leistungswandlern wirken sich direkt auf die Anforderungen an die Verbindungstechnik aus. Die steigenden Anforderungen an Miniaturisierung, Effizienz und Funktionalität verändern nicht nur das Layout von Leiterplatten, sondern auch die Anforderungen an Steckverbinder und Anschlusskomponenten. Eine zentrale Eigenschaft aktueller Leistungswandler sowie Steckverbinder besteht in der Vielseitigkeit und damit der Fähigkeit sich an die verschiedenen Anforderungen unterschiedlicher Branchen anzupassen. Der Trend zur Miniaturisierung zwingt Entwickler dazu, auch bei der Verbindungstechnik mit jedem Millimeter zu haushalten. Gerade auf hochintegrierten Leiterplatten stehen nur noch begrenzte Flächen für Steckverbinder zur Verfügung. Gefordert sind deshalb kompakte, aber dennoch leistungsfähige Steckverbindersysteme, die trotz kleiner Bauform hohe Ströme und Spannungen übertragen können – bei gleichzeitig zuverlässiger elektrischer Kontaktierung. Die steigenden elektrischen Anforderungen – etwa durch höhere Schaltfrequenzen oder Betriebstemperaturen – erhöhen auch die mechanischen und thermischen Belastungen für Steckverbinder. Entsprechend wächst der Bedarf an robusten, vibrationssicheren und temperaturbeständigen Verbindungslösungen, die auch unter anspruchsvollen Betriebsbedingungen zuverlässig funktionieren. Mechanische Codierungen, Verriegelungen und optimierte Kontaktgeometrien tragen dazu bei, Fehlstecken und Kontaktprobleme zu vermeiden.

Verlustarme Induktivitäten optimieren Leistungswandler

Steigende Leistungsdichten, regulatorische Anforderungen und Miniaturisierung fordern energieeffiziente Stromversorgungslösungen. Moderne Induktivitäten leisten dabei einen entscheidenden Beitrag zur Optimierung des Gesamtwirkungsgrads.

Modulare Designs gewinnen in der Leistungselektronik z an Bedeutung, da sie Flexibilität, Skalierbarkeit und schnelle Anpassungen ermöglichen. Für die Verbindungstechnik bedeutet dies, dass Steckverbindersysteme nicht nur zuverlässig und leistungsfähig sein müssen, sondern auch variabel skalierbar, individuell anpassbar und servicefreundlich. Durch eine breite Auswahl an Polzahlen und Bauformen, die Möglichkeit für Sonderbestückungen und robuste Mechanismen beim Löt- und Steckvorgang können diese Anforderungen erfüllt werden.

Auch in der Verbindungstechnik hinterlässt die weltweite Bauteilknappheit deutliche Spuren. Edelmetalle, spezielle Kontaktmaterialien und temperaturbeständige Kunststoffe sind nicht nur schwerer verfügbar, sondern auch deutlich teurer geworden. Die Folge sind verlängerte Lieferzeiten und höhere Materialkosten sowie gestiegene Energiekosten im Herstellungsprozess.

Was zeichnet die Steckverbinder-Serie One27 aus?

Neben den technologischen Entwicklungen und den Anforderungen an das Design leistungsfähiger Elektroniksysteme rücken zunehmend auch wirtschaftliche und strategische Faktoren in den Fokus. Anwender und Beschaffer erwarten Lösungen, die technisch überzeugen und auch hinsichtlich Verfügbarkeit, Standardisierung und Kosten langfristig tragfähig sind.

Ausgangsfilterung bei Wandlern und Wechselrichtern

Die meisten modernen Leistungswandler basieren auf Schalttechniken, um höchste Effizienz, kleinste Baugröße und geringste Kosten zu garantieren. Unvermeidlich entsteht dabei Schaltungsrauschen und Ausgangsfilter werden benötigt, um elektromagnetische Störungen (EMI) zu minimieren sowie einen zuverlässigen Betrieb des Wandlers und der Last zu gewährleisten. Dieser Beitrag befasst sich mit möglichen Filtertechniken.

Steckverbinder mit kleinem Rastermaß sind geeignet für den Einsatz in Leistungswandlern, sie benötigen nur wenig Bauraum auf der Leiterplatte und unterstützen dadurch das Design besonders platzsparender und leistungsdichter Elektronikmodule. Das Rastermaß von 1,27 mm der Produktgruppe One27 von ept stellt einen Kompromiss zwischen Miniaturisierung, elektrischer Leistungsfähigkeit und mechanischer Stabilität dar.

Das Baukastensystem der One27-Produktgruppe bietet vielfältige Möglichkeiten zur individuellen Gestaltung von Verbindungslösungen. Eine breite Auswahl an Bauformen, Bauhöhen und Polzahlen erlaubt stufenlose horizontale Leiterplattenabstände von 8,0 bis 20,00 mm – realisiert durch eine Kontaktüberdeckung von 2,4 mm. Neben parallelen (horizontalen) Verbindungen sind auch 90°- sowie 180°-Anordnungen möglich. Ergänzend ermöglichen Kabelverbindungen eine flexible Anordnung der Baugruppe, den Ausgleich von Toleranzen sowie die Umsetzung individueller Abstände. Die Kabel sind in verschiedenen Längen und Isolierungen erhältlich – je nach mechanischen oder thermischen Anforderungen. Zudem sind Sonderbestückungen, wie Teilbestückungen oder nacheilende Kontakte, realisierbar, um gezielt auf spezifische elektrische oder mechanische Anforderungen eingehen zu können.

Anforderungen an mechanische und thermische Belastbarkeit

Die Robustheit der One27-Produktgruppe ist insbesondere für den Einsatz im Automobilbereich von Bedeutung ist. Auch hohe Vibrationsfestigkeit und Stabilität sind für den Einsatz im Automobil essenziell ist. Selbst unter anspruchsvollen Bedingungen bleibt die elektrische Verbindung zuverlässig bestehen. Darüber hinaus verfügt die Produktgruppe One27 über praktische mechanische Merkmale wie einen Verdrehschutz für korrekte Steckverbindungen, Positionierzapfen zur exakten Platzierung sowie Einführschrägen, die Winkelversätze und Mittenversätze beim Einstecken ausgleichen. Zudem ist die Wahl des Isoliermaterials entscheidend für die Temperaturbeständigkeit. LCP (Liquid Crystal Polymer) ist aufgrund der UL 94 V 0 Brennbarkeitsklasse für Einsatztemperaturen von -55°C bis +125°C geeignet und erfüllt die Anforderungen der Automobilindustrie.

Dank ausgewählten Materialien und einer optimierten Kontaktgeometrie kann die Produktgruppe One27 hohe Ströme zuverlässig übertragen, ohne dass es zu einer Überhitzung oder einem Leistungsabfall kommt. Die Verarbeitung der Kontakte, insbesondere die Verwendung von speziellen Kupferlegierungen, sorgt für einen geringen Übergangswiderstand und eine effiziente Wärmeableitung. Dies gewährleistet eine stabile Verbindung selbst unter extremen Betriebsbedingungen.

Die Stromtragfähigkeit ist abhängig von der Polzahl und der Anzahl der stromführenden Kontakte. Grund hierfür ist unter anderem eine geringere Hotspot-Bildung im Inneren von Steckverbindern mit kleiner Polzahl. (bs)