gesponsertMagnetische Komponenten für hohe Leistungsdichte Mehr Leistung, weniger Bauraum: Magnetik wird zum Systemthema

Höhere Schaltfrequenzen verkleinern magnetische Komponenten, erhöhen aber gleichzeitig die Anforderungen an Verluste, Wärme und EMV. Elytone adressiert diese Anforderungen mit erprobten Produktdesigns und kundenspezifischer Entwicklung für Stromversorgungen, E-Mobility, Energiespeicher und KI-Infrastruktur.

Mehr Leistung, weniger Platz: Diese Forderung zieht sich inzwischen durch fast alle Bereiche der Leistungselektronik. In einem Servernetzteil ist der verfügbare Bauraum ebenso begrenzt wie in einem DC/DC-Wandler im Fahrzeug oder in einem kompakten Industrieantrieb. Gleichzeitig sollen die Systeme effizienter werden, weniger Wärme erzeugen und strengere Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit erfüllen.

Höhere Schaltfrequenzen sind deswegen ein wichtiger Teil der Antwort darauf. Sie ermöglichen kleinere magnetische Komponenten und damit höhere Leistungsdichten. Ganz kostenlos gibt es diesen Platzgewinn allerdings nicht. Was im Datenblatt zunächst nach einer Verkleinerung des Transformators aussieht, betrifft damit schnell das gesamte Leistungsdesign.

Genau in diesem Feld arbeitet Elytone. Das taiwanische Unternehmen entwickelt und fertigt seit mehr als 45 Jahren elektronische Komponenten und konzentriert sich im Bereich Leistungselektronik insbesondere auf magnetische Bauteile. Dazu gehören Transformatoren, Induktivitäten, Drosseln und weitere Komponenten für Stromwandlung und EMV. Neben erprobten Produktdesigns bietet Elytone kundenspezifische Entwicklung und Engineering-Support für Anwendungen, bei denen Standardlösungen nicht ausreichen.

Höhere Frequenz spart Volumen und verschärft zugleich die Verluste

Steigt die Arbeitsfrequenz eines Wandlers, können die magnetischen Bauteile kleiner werden. Das ist einer der Gründe, warum die Entwicklung von SiC- und GaN-Leistungshalbleitern auch die Magnetik verändert. Schnell schaltende Leistungshalbleiter ermöglichen höhere Frequenzen – und damit kompaktere passive Komponenten.

Elytone sieht deshalb einen deutlichen Trend zu Hochfrequenzdesigns und planaren Transformatoren. Klassische drahtgewickelte Transformatoren geraten speziell dort an Grenzen, wo niedrige Bauhöhen und hohe Leistungsdichten gefordert sind. Planare Strukturen und PCB-Wicklungen können das Volumen reduzieren und die Geometrie besser an den vorhandenen Bauraum anpassen.

Damit ist das Problem aber nicht erledigt. Kern- und Kupferverluste müssen weiterhin beherrscht werden, während Skin- und Proximity-Effekte das Verhalten der Wicklungen zunehmend beeinflussen. Einen bestehenden Transformator einfach kleiner zu skalieren, reicht deshalb nicht. Kernmaterial, Geometrie, Leiterführung und Arbeitsfrequenz müssen zueinander passen.

Spätestens dort wird aus der Bauteilfrage eine Systemfrage: Ein Transformator kann bei der gewünschten Frequenz elektrisch funktionieren und unter realen Betriebsbedingungen trotzdem thermisch an seine Grenzen kommen.

Mehr Leistung auf weniger Fläche macht Wärme zum Designparameter

KI-Server, Ladeinfrastruktur, Batteriesysteme oder industrielle Stromversorgungen sollen immer höhere Leistungen verarbeiten, ohne entsprechend größer zu werden. Für die Magnetik steigt damit nicht nur die elektrische Belastung. Auch der Weg, auf dem die Wärme aus dem Bauteil gelangt, wird Teil der Auslegung.

Elytone spricht von thermischen Pfaden, die bereits während der Entwicklung berücksichtigt werden müssen. Je nach Anwendung reicht das bis zur Integration in Kühlkörper, Vergussmaterialien oder das Kühlsystem des Kunden.

Damit reicht es nicht mehr, nur auf den Transformator zu schauen. Wie das Bauteil auf der Leiterplatte sitzt, welche Materialien es umgeben und wohin die Wärme tatsächlich abgeführt werden kann, beeinflusst die thermische Bilanz. Schon vergleichsweise kleine zusätzliche Verluste können in einem kompakten Wandler einen Unterschied machen – und in einem Rechenzentrum vervielfacht sich derselbe Effekt über eine große Zahl von Stromversorgungen.

Hohe Schaltflanken lassen auch das EMV-Problem wachsen

Eine weitere Herausforderung ist die elektromagnetische Verträglichkeit. Je kompakter ein Gerät wird, desto dichter liegen Leistungs- und Signalpfade beieinander. Gleichzeitig steigen mit höheren Frequenzen die Anforderungen an das EMV-Design.

Neben Transformatoren gehören deshalb auch kundenspezifische Drosseln und Filter zum Entwicklungsfeld von Elytone. Common-Mode-Drosseln müssen dabei denselben Spagat schaffen wie andere Komponenten: kleiner werden und trotzdem eine ausreichende Störunterdrückung liefern.

Gerade von europäischen Kunden sieht Elytone hohe Anforderungen an EMV, Wirkungsgrad, thermische Stabilität und langfristige Zuverlässigkeit.

Diese Ziele lassen sich allerdings nicht unabhängig voneinander optimieren. Eine Wicklungsstruktur, die Verluste reduziert, kann zugleich parasitäre Eigenschaften verändern; weniger Volumen spart Platz, kann aber die Wärmeabfuhr erschweren. Am Ende muss der Wandler als Ganzes funktionieren – elektrisch, thermisch, hinsichtlich EMV und zu Kosten, die zur Anwendung passen.

Standardteile reichen nicht überall bis zur Serienreife

Elytone arbeitet deshalb mit zwei Ansätzen. Für Anwendungen, deren Anforderungen sich mit bestehenden und bereits erprobten Designs abdecken lassen, greift das Unternehmen auf vorhandene Produktplattformen zurück. Wo Bauraum, Schaltfrequenz, thermisches Budget oder EMV-Vorgaben darüber hinausgehen, kommt kundenspezifische Entwicklung hinzu.

Die Zusammenarbeit kann je nach Projekt vom bestehenden Design mit Anpassungen bis zur vollständigen Neuentwicklung reichen. Elytone will dabei möglichst früh eingebunden werden – vom ersten Konzept über die elektrische und mechanische Auslegung bis zu Prototypen und späterer Serienfertigung.

Nicht jede Stromversorgung braucht deshalb einen vollständig neuen Transformator. Wenn ein bestehendes Design die Anforderungen erfüllt, gibt es technisch wie wirtschaftlich wenig Grund für eine Sonderentwicklung. Je enger die Randbedingungen werden, desto schwieriger wird diese Auswahl allerdings.

Kundenspezifische Magnetik beginnt dann häufig nicht mit einer Teilenummer. Zunächst stehen die Randbedingungen des Wandlers im Raum: Eingang und Ausgang, Leistung, Topologie, Schaltfrequenz, Isolationsanforderungen, Bauhöhe, Temperatur und zulässige Verluste.

Wie die Komponente am Ende aussieht, ergibt sich daraus.

KI-Server und E-Mobility treiben dieselbe Grundforderung

Als wichtige Wachstumstreiber nennt Elytone derzeit Schaltnetzteile und DC/DC-Wandler. Besonders deutlich wachse die Nachfrage nach Hochfrequenztransformatoren.

Die Anwendungen dahinter könnten unterschiedlicher kaum sein. Auf der einen Seite stehen KI-Server, Rechenzentren und Energiespeicher, auf der anderen E-Mobility und Ladeinfrastruktur. Hinzu kommen industrielle Antriebe, Automatisierung und weitere Stromversorgungsanwendungen.

Technisch läuft vieles trotzdem auf dieselbe Forderung hinaus: mehr Leistung in weniger Volumen, möglichst ohne zusätzliche Verluste und thermische Probleme. Gerade in Rechenzentren betrifft diese Entwicklung nicht nur einzelne Wandler, sondern zunehmend die gesamte Energiekette. Elytone beschäftigt sich deshalb bereits mit Architekturen rund um eine 800-V-HVDC-Versorgung für KI-Rechenzentren. Gleichzeitig beobachtet das Unternehmen Solid-State-Transformatoren und höhere Spannungsebenen in der E-Mobility.

SiC und GaN verändern auch die Komponenten um den Schalter herum

Für die kommenden Jahre sieht Elytone drei eng miteinander verbundene Richtungen: höhere Frequenzen, höhere Leistungen und eine stärkere Planarisierung magnetischer Bauteile.

Ein wichtiger Treiber dafür ist die wachsende Verbreitung von SiC und GaN. Wide-Bandgap-Halbleiter ermöglichen höhere Schaltfrequenzen. Die Magnetik muss diese Frequenzen allerdings auch mitgehen können.

Sonst wandert das Problem nur weiter.

Transformatoren, Induktivitäten und EMV-Komponenten müssen deshalb ebenfalls angepasst werden. Für Elytone bedeutet das vor allem Entwicklungsarbeit an Kernmaterialien, Wicklungsstrukturen und Geometrien. AC-Verluste sollen sinken, während bei steigender Leistung gleichzeitig Isolation und thermisches Management anspruchsvoller werden.

Ein schnellerer Schalter allein macht noch keinen kompakteren Wandler. Erst wenn auch die übrigen Komponenten mit den neuen Betriebsbedingungen zurechtkommen, lässt sich die mögliche höhere Leistungsdichte tatsächlich ins System übertragen.

Europäische Kunden bringen eigene Anforderungen mit

Für Elytone ist Europa kein neuer Markt. Das Unternehmen will hier früher in Entwicklungsprojekte eingebunden werden, insbesondere in den Bereichen E-Mobility, industrielle Automation, erneuerbare Energien und Energiespeicher.

Bei europäischen Kunden beobachtet Elytone dabei eine schwierige Kombination: Die technischen Anforderungen sind hoch, der Kostendruck ebenfalls. Wirkungsgrad, thermische Eigenschaften, EMV und Langzeitzuverlässigkeit sollen stimmen, gleichzeitig muss das Produkt wirtschaftlich bleiben. Auch deshalb sollte die Magnetik nicht erst spät im Projekt betrachtet werden. Wird ein Design zu warm, zu teuer oder EMV-kritisch, werden Änderungen schwieriger, sobald Topologie und Bauteile feststehen.

Bei Energiespeichern sieht Elytone die Nachfrage nicht ausschließlich als europäisches Thema, sondern als globalen Trend. Mit dem Ausbau erneuerbarer Energien und dem steigenden Leistungsbedarf von Rechenzentren wächst auch der Bedarf an Systemen, die Energie speichern, wandeln und verteilen.

Am Ende wird der Transformator nicht nur kleiner

Die Entwicklung moderner Leistungselektronik lässt sich leicht als Geschichte immer kleinerer Komponenten erzählen. Höhere Schaltfrequenzen ermöglichen kleinere Transformatoren, planare Bauformen reduzieren die Höhe, bessere Halbleiter senken Verluste.

Einfacher wird das Design dadurch nicht.

Je höher Frequenz und Leistungsdichte steigen, desto enger greifen die Entscheidungen ineinander. Kernmaterial und Wicklung beeinflussen die Verluste. Verluste bestimmen die thermische Auslegung. Geometrie und Schaltverhalten wirken auf die EMV. Und am Ende muss daraus ein Bauteil entstehen, das sich zuverlässig fertigen lässt.

Der magnetische Baustein schrumpft. Sein Anteil an den Entwicklungsentscheidungen tut es nicht. Deshalb lässt sich die Magnetik in vielen modernen Leistungsarchitekturen immer weniger als Bauteil behandeln, das erst gegen Ende des Designs ausgewählt wird. (sb)

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