Auf dem Bild ist ein technisches Gerät zu sehen, das einen flexiblen Kabelansatz zeigt, welcher mit roten Elementen verbunden ist.
Leistungswandler im Technologiewandel

Leistungswandler im Technologiewandel

Kleiner. Stärker. Intelligenter

Neue Halbleitermaterialien, modulare Baukonzepte und die Integration zusätzlicher Funktionalitäten treiben die nächste Evolutionsstufe der Leistungswandler voran.

Die Leistungswandler befinden sich im Umbruch: Neue Materialien ermöglichen höhere Schaltfrequenzen und kompaktere Bauweisen. Diese technologischen Fortschritte treiben insbesondere Leistungswandler (AC/DC- sowie DC/DC-Wandler) voran – zentrale Bausteine moderner Anwendungen wie E-Mobilität und erneuerbarer Energiesysteme. Im Zuge dieser Entwicklung gewinnen auch innovative Verbindungstechnologien an Bedeutung, die höhere Effizienz, Miniaturisierung und Funktionalität ermöglichen.

Im Folgenden beleuchten wir die zentralen technologischen Entwicklungen im Bereich der Leistungswandler und zeigt auf, wie diese Trends die Zukunft der Leistungselektronik nachhaltig beeinflussen werden.


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Technologische Innovationen prägen moderne Leistungswandler

Leistungswandler im Fokus moderner Energieversorgung

Abb. 1: Von PCI anhand (x8) Lane Konfiguration
Die Leistungswandler bilden, durch die Regelung von Spannungspegeln sowie die Minimierung von Energieverlusten, das Herzstück moderner Energieversorgungssysteme. Wachstumschancen im Leistungswandler-Markt bestehen durch den Aufschwung der Elektromobilität über die Fortschritte in der Industrieautomatisierung bis hin zum Ausbau erneuerbarer Energiesysteme. Aktuelle technologische Entwicklungen bei Leistungswandlern fokussieren sich darauf den steigenden Anforderungen an Effizienz, Miniaturisierung und Funktionalität gerecht zu werden.

Neue Halbleitertechnologien sorgen für höhere Schaltfrequenzen und kompaktere Designs

Der Einsatz neuer Halbleitertechnologien wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) erlaubt wesentlich höhere Schaltfrequenzen, was kompaktere und effizientere Designs mit verbesserter Reaktionszeit und Regelgenauigkeit ermöglicht. Wide Bandgap (WBG) Halbleiter, beispielsweise SiC und GaN, 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. 

Miniaturisierung und Effizienzsteigerung

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. 

Modularisierung und Standardisierung von Baugruppen

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

Intelligente Systeme mit erweiterten Funktionalitäten

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. 

Herausforderungen bei der Versorgungskette und Bauteilknappheit

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 moderne Wide-Bandgap-Halbleiter wie SiC und GaN, deren hohe Nachfrage und komplexe Herstellung die Verfügbarkeit einschränken. Um die Lieferfähigkeit zu sichern, setzen viele Unternehmen auf Strategien wie die Diversifizierung von Zulieferern, regionale Fertigung und langfristige Partnerschaften.

Anforderungen an die Verbindungstechnik von morgen  

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 moderner Leistungswandler sowie moderner Steckverbinder besteht in der Vielseitigkeit und damit der Fähigkeit sich an die verschiedenen Anforderungen unterschiedlicher Branchen anzupassen.

Weniger Platz, mehr Funktion – miniaturisierte Steckverbinder gefragt

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.

Höhere Belastungen erfordern robustere Lösungen

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.

Effizientes Design durch modulare Verbindungslösungen

Modulare Designs gewinnen in der Leistungselektronik zunehmend 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. Somit tragen modulare Steckverbindersysteme entscheidend dazu bei, die Lebensdauer der Systeme zu verlängern und die Gesamtbetriebskosten zu senken.

Herausforderungen bei der Versorgungskette und Bauteilknappheit

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. Um die Versorgungssicherheit zu gewährleisten, gewinnen Aspekte, wie die enge Zusammenarbeit mit Lieferanten, eine vorausschauende Planung sowie flexible und anpassungsfähige Designstrategien zunehmend an Bedeutung.

Wie moderne Steckverbinder diese Anforderungen erfüllen können

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.

Hohe Leistungsdichte auf kleinstem Raum

    Steckverbinder mit kleinem Rastermaß sind ideal 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 idealen Kompromiss zwischen Miniaturisierung, elektrischer Leistungsfähigkeit und mechanischer Stabilität dar.

    Flexibilität durch Baukastensystem

    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, was hohe Flexibilität bei der Leiterplattenplatzierung bietet. 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.
    Auf dem Bild sind verschiedene Arten von Steckverbindern zu sehen, die mit einem Flachbandkabel verbunden sind.
    One27 Produktgruppe

    Robustheit für raue Umgebungen

    Die One27 Produktgruppe zeichnet sich durch hohe Robustheit aus, die insbesondere für den Einsatz im Automobilbereich von Bedeutung ist. Mechanisch überzeugt die Produktfamilie One27 durch hohe Vibrationsfestigkeit und Stabilität, was 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. Diese Features erhöhen die Montagefreundlichkeit und sorgen für eine sichere, präzise und langlebige Verbindung.
    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 optimal geeignet und erfüllt die hohen Anforderungen der Automobilindustrie.

    Stromtragfähigkeit

    Das Bild zeigt drei Kurven, die den Zusammenhang zwischen der Umgebungstemperatur (in °C) und dem Strom (in A) für verschiedene Konfigurationen darstellen.
    Bild xy: 
Stromtragfähigkeit pro Kontakt nach Polzahl und Anzahl stromführender Kontakte
    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.

    Verlässliche Lieferkette durch regionale Produktion

    Ein weiterer wichtiger Vorteil der One27 Produktgruppe ist die Entwicklung und Produktion innerhalb der Europäischen Union, die eine verlässliche Lieferkette mit kurzen Wegen garantiert. Diese regionale Fertigung steht für höchste Qualitätsstandards und sichert gleichzeitig die termingerechte Verfügbarkeit der Komponenten – ein entscheidender Faktor für Hersteller, die auf schnelle Reaktionszeiten angewiesen sind.

    Fazit und Ausblick

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    Leistungswandler sind zentrale Bausteine moderner Energieversorgung – von Elektromobilität bis zu erneuerbaren Energien. Zukünftige Entwicklungen konzentrieren sich auf höhere Leistungsdichte, kompakte Bauformen, bessere Wirkungsgrade und mehr Systemintelligenz. Neue Halbleitermaterialien wie SiC und GaN werden dabei die Leistung und das thermische Verhalten deutlich verbessern.

    Parallel steigen die Anforderungen an die Verbindungstechnik. Modulare Steckverbinder müssen hohe elektrische Leistung und Datenkommunikation in einem kompakten, robusten und flexiblen System vereinen. Das One27-System von ept erfüllt diese Anforderungen ideal und ist damit ein entscheidender Faktor für die nächste Generation leistungsstarker und zukunftsfähiger Wandler. Die Verbindungstechnik ist heute ein zentraler Innovationstreiber und kein Nebenschauplatz mehr.

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