Leistungselektronik

Was ist Leistungselektronik?

Leistungselektronik umfasst Schaltungen und Baugruppen, die große Ströme und Spannungen steuern, schalten oder umwandeln. Im Unterschied zur Signal- oder Digital-Elektronik geht es weniger um Informationen (z. B. Daten), sondern um Energie: Wie wird elektrische Leistung sicher, effizient und regelbar an eine Last gebracht?

Anschaulich gedacht: Ein Mikrocontroller „entscheidet“, was passieren soll – die Leistungselektronik „setzt die Energie dahinter um“. Typische Aufgaben sind das Regeln von Motordrehzahlen, das Laden von Batterien oder die Wandlung von Netzspannung in eine passende Zwischen- oder Ausgangsspannung.

Wofür wird Leistungselektronik eingesetzt?

Leistungselektronik kommt überall dort zum Einsatz, wo elektrische Energie angepasst werden muss – sei es in Spannung, Strom oder Frequenz. Typische Anwendungsfelder sind:

• Antriebs- und Motorsteuerungen (z. B. in Industrieanlagen, Pumpen, Lüftern, Robotik)
• Stromversorgungen wie AC/DC- und DC/DC-Wandler (von der Netzversorgung bis zur Board-Spannungsversorgung)
• Batterieladegeräte und Batteriemanagement (z. B. für mobile Geräte, Energiespeicher, E-Mobility)
• Erneuerbare Energien (z. B. Wechselrichter in Photovoltaik-Anlagen)
• Schutz- und Schaltfunktionen (z. B. Überspannungs- und Kurzschlussschutz, Einschaltstrombegrenzung)

Wie funktioniert Leistungselektronik in der Praxis?

In der Praxis basiert Leistungselektronik auf dem schnellen Schalten von Halbleitern (z. B. MOSFETs oder IGBTs). Statt Energie „zu verheizen“, wird sie durch getaktetes Schalten effizient umgeformt – häufig mit Verfahren wie PWM (Pulsweitenmodulation). Induktivitäten, Transformatoren und Kondensatoren glätten dabei Ströme und Spannungen, sodass am Ausgang eine definierte Versorgung entsteht.

Wesentliche Praxis-Aspekte in Entwicklung und Fertigung sind dabei:

• Thermik: Hohe Ströme erzeugen Verlustleistung – Kühlkonzepte, Leiterplattenlayout (Kupferflächen, Via-Stitching) und ggf. Heatspreader sind entscheidend.
• EMV: Schnelle Schaltflanken erzeugen Störungen. Filter, saubere Masseführung, Schirmung und geeignete Bauteilplatzierung beeinflussen die Zulassungsfähigkeit und Robustheit.
• Isolation und Sicherheit: Bei Netz- oder Hochvolt-Anwendungen sind Kriech- und Luftstrecken, galvanische Trennung sowie sichere Bauteilauswahl zentral.
• Fertigungsgerechtes Design: Bauteile wie Leistungshalbleiter, Spulen oder große Kondensatoren stellen höhere Anforderungen an Bestückung, Lötprozess und Prüfkonzepte.
• Testbarkeit: Neben elektrischen In-Circuit- oder Funktionstests sind oft Lasttests, Temperaturtests oder Prüfungen unter realen Betriebsprofilen relevant.

Warum ist Leistungselektronik für Unternehmen relevant?

Leistungselektronik beeinflusst zentrale Zielgrößen eines Produkts direkt – nicht nur technisch, sondern auch wirtschaftlich:

• Zuverlässigkeit: Thermische Reserve, Bauteildimensionierung und Schutzkonzepte entscheiden über Ausfallraten und Lebensdauer.
• Kosten: Wirkungsgrad und Bauteilauswahl beeinflussen Kühlaufwand, Gehäusegröße und Stückliste; gleichzeitig können überdimensionierte Lösungen unnötig teuer werden.
• Time-to-Market: EMV- und Sicherheitsanforderungen können Iterationsschleifen verursachen. Saubere Auslegung und frühe Validierung reduzieren Re-Designs.
• Qualität in der Fertigung: Leistungsbauteile und hohe Ströme machen Prozesse empfindlicher (z. B. Lötqualität, Materialauswahl, Prozessfenster). Stabil beherrschte Fertigung und passende Prüfstrategien sichern die Serienqualität.
• Automatisierung und Digitalisierung: Rückverfolgbarkeit, Prozessdaten (z. B. Lötprofile) und digital unterstützte Prüfabläufe helfen, Abweichungen früh zu erkennen und Ausschuss zu vermeiden.

Im Zusammenspiel von Entwicklung und Fertigung ist Leistungselektronik daher ein typisches Feld, in dem frühe Abstimmung (z. B. hinsichtlich Layout, Bauteilverfügbarkeit, Prüfkonzept und Prozessfähigkeit) messbar zu besseren Ergebnissen führt.

Für die Einordnung in den Gesamtprozess lohnt auch ein Blick auf unsere Leistungen in der Elektronikentwicklung, da dort viele Weichen für Thermik, EMV, Sicherheit und Serienfähigkeit gestellt werden.