Einblicke in die Feinheiten passiver Hochspannungskomponenten

Während sich viele Ingenieure auf Niederspannungssysteme mit Schienen im einstelligen Bereich konzentrieren, entfällt ein zunehmend sichtbarer und wichtiger Teil der Entwicklungsarbeit auf die Hochspannungswelt. Natürlich wurden schon immer höhere Spannungen verwendet, da sie für die effiziente Versorgung von Hochleistungsanwendungen erforderlich sind. Jetzt jedoch, wo Elektrofahrzeuge verschiedener Art, erneuerbare Energien und damit verbundene Energiespeichersysteme sowie Energieeffizienz im Allgemeinen so viel Aufmerksamkeit erhalten, steigt der Bedarf an Stromschienen und Komponenten, die mit Hunderten von Volt oder mehr arbeiten.

Auch wenn viele dieser Hochspannungsdesigns auf Schaltplänen ähnlich aussehen wie ihre Niederspannungsgeschwister, besteht doch ein großer Unterschied zwischen dem Aufbau eines wiederaufladbaren Akku-Subsystems, das ein paar Volt und Watt liefert, und dem Kraftpaket eines Elektrofahrzeugs, das mit 600 bis 800 Volt arbeitet, Kilowatt liefert und Megajoules speichert. Nicht nur die aktiven Komponenten wie MOSFETs müssen für diese höheren Spannungen ausgelegt sein, sondern auch die zugehörigen passiven Komponenten wie Widerstände, Kondensatoren, Kontakte, Steckverbinder und andere.

Kurzum: Die bescheidenen Grundregeln der Niederspannungsschaltungen gelten nicht mehr. Stattdessen ist es eine unbarmherzige Welt der Lichtbögen, Funken, Isolationsausfälle, Kontaktfressen und Materialverschlechterung. Fehler bei der Materialauswahl, der Komponentenwahl und der Platzierung sind kostspielig und oft gefährlich, während Änderungen und Umgestaltungen, so unbedeutend sie auf den ersten Blick auch erscheinen mögen, zeitaufwändig und frustrierend sind und eine gründliche Überprüfung des Entwurfs erfordern.

Anforderungen an das Hochspannungsdesign

Was bedeutet das für die Praxis? Erstens gibt es viele Normen, die Isolation, Trennung und andere Anforderungen für die Hochspannungswelt festlegen, und diese werden immer strenger und anspruchsvoller, je höher die Spannung in den Bereich von Hunderten und sogar Tausenden von Volt geht. Einige dieser Normen werden von staatlich gelenkten Regulierungsorganisationen erlassen, andere von Industrieverbänden, und wieder andere werden durch die gute Ingenieurpraxis definiert.

Eine der konkretesten Anforderungen bezieht sich auf die Mindestwerte von Luft- und Kriechstrecken. Diese treten in Kraft, wenn die Betriebsspannung über 30 Volt Wechselspannung oder 60 Volt Gleichspannung liegt, da Spannungen über diesen Werten als potenziell gefährlich gelten. Die Luftstrecke ist der kürzeste Abstand durch Luft zwischen zwei Leitern, während die Kriechstrecke den kürzesten Abstand entlang der Oberfläche des Isoliermaterials misst (Abbildung 1).

Abbildung 1: Überlegungen zum Hochspannungslayout beginnen mit der Luftstrecke, dem kürzesten Abstand durch Luft zwischen zwei Leitern, und der Kriechstrecke, dem kürzesten Abstand entlang der Oberfläche des Isoliermaterials. (Bildquelle: Altium Limited)

Die Anforderungen an das Layout von Leiterplatten für die Mindestluft- und Kriechstromabmessungen variieren je nach Material, Spannung und Umgebungsbedingungen. Die Normen IEC 60601 und IPC 2221 sind die wichtigsten Richtlinien für die Abstände zwischen Leitern bei verschiedenen Spannungen und Szenarien, aber es gibt noch viele weitere, die anwendungsspezifisch sind. Zusätzlich zu diesen grundlegenden Anforderungen gibt es Normen, die Materialien wie Dämmungsarten und -dicken festlegen. Auch hier gibt es Feinheiten, wie z. B. den Unterschied zwischen den Klassifizierungen „UL listed“ und „UL recognized“ (siehe Verwandte Inhalte).

Auch die Komponenten unterscheiden sich grundlegend

Selbst wenn ein Entwurf alle physikalischen Normen erfüllt, einschließlich der Kriech- und Luftstrecken, die der Hochspannungsklassifizierung des Entwurfs entsprechen, muss viel mehr Arbeit geleistet werden, um eine geeignete Stückliste zu erstellen. Ein Widerstand, der bei Hunderten von Volt funktioniert und überlebt, unterscheidet sich deutlich von einem Widerstand für den bescheidenen und harmlosen 10- bis 20-Volt-Bereich. Jeder Aspekt des Designs, der Materialauswahl, des Produktionsprozesses und der gesamten Verpackung ist einzigartig.

Die für die Automobilindustrie qualifizierten (AEC-Q200) Dünnschicht-Hochspannungswiderstände der TNPV-Serie von Vishay Dale, wie z. B. der 330kΩ-Dünnschichtwiderstand TNPV1206330KBYEA, sind für den Betrieb bis 1000 Volt ausgelegt. Da sie in erster Linie für genaue Hochspannungsmessungen vorgesehen sind, ergeben sich aus dem anspruchsvollen Material, der Konstruktion und dem Lasertrimmen ziemlich enge Spezifikationen. Dazu gehören ein Niederspannungskoeffizient von unter 1 Teil pro Million pro Volt (ppm/V), eine Toleranz von ±0,1 % und ein Temperaturkoeffizient des Widerstands (TCR) von nur ±10 ppm/⁰C (Abbildung 2).

Abbildung 2: Die Widerstände der TNPV-Serie verwenden eine Kombination aus speziellen Materialien, Design und Fertigung, um den erforderlichen Hochspannungsbetrieb und die erforderlichen Toleranzen zu erreichen. (Bildquelle: Vishay Dale)

Vishay weist darauf hin, dass die Feinabstimmung dazu beiträgt, Spannungsgradienten entlang der Segmente des Widerstandselements zu reduzieren und damit die Stabilität bei hohen Spannungen zu verbessern. Dieses moderne Design und die Konstruktion gewährleisten Anwendungsstabilität und Präzision in einem ansonsten normal aussehenden Chipwiderstand, der in einem metrischen 3216-Standardgehäuse untergebracht ist.

Mit Kondensatoren verhält es sich ähnlich. Nehmen wir den FHC16I0307K, einen 300 Mikrofarad (µF) Folienkondensator aus der FHC-Serie von Kyocera AVX, der Leistungshalbleiter in Elektro- und Hybrid-Elektrofahrzeugen schützt. Dies geschieht durch eine Gleichstromfilterung, die verhindert, dass Brummströme zurück zur Stromquelle gelangen, und durch die Glättung von Schwankungen der Zwischenkreisspannung.

Der FHC16I0307K erfüllt die Anforderungen von AEC-Q200 und IEC 61071-1/IEC 61071-2 (für leistungselektronische Kondensatoren) und ist speziell behandelt, um eine sehr hohe Durchschlagsfestigkeit unter Betriebsbedingungen bis zu 115 °C zu erreichen. Er ist in einem rechteckigen, harzgefüllten, metallisierten Kunststoffgehäuse mit den Abmessungen 237 × 72 × 50 Millimeter untergebracht (Abbildung 3). Niederspannungs-Filterkondensatoren mit 300 µF sind zwar weit verbreitet, aber die Hochspannungsvarianten sind für den Betrieb mit 450 Volt Gleichspannung ausgelegt. Sie verwenden eine trocken gewickelte (nicht ölgefüllte), segmentierte, metallisierte Polypropylen-Konstruktion, die einen kontrollierten Selbstheilungsprozess aufweist.

Abbildung 3: Die Kondensatoren FHC16I0307K sind für den Einsatz im Automobilbereich konzipiert. Sie sind für 450 Volt Gleichstrom ausgelegt, bestehen aus metallisiertem Polypropylen und sind in einem metallisierten Kunststoffgehäuse untergebracht. (Bildquelle: Kyocera AVX)

Eine weitere Besonderheit der segmentierten metallisierten Technologie ist das Verhalten des Kondensators am Ende seiner Lebensdauer. Im Gegensatz zu Elektrolytkondensatoren, bei denen es zu einem Kurzschluss kommt, kommt es bei diesen Folienkondensatoren nur zu einem parametrischen Kapazitätsverlust, ohne dass es zu einem katastrophalen Ausfall kommt. Stattdessen verliert der Kondensator im Laufe seiner Lebensdauer allmählich an Kapazität und wird schließlich zu einem offenen Stromkreis.

Fazit

Die Schaltpläne mögen zwar ähnlich aussehen wie die von Niederspannungsschaltungen, aber Entwickler von Hochspannungsanlagen mit Hunderten von Volt oder mehr müssen sich darüber im Klaren sein, dass sie es mit einer Reihe interessanter Herausforderungen zu tun haben, sowohl was die Vorschriften als auch das Layout, die Strukturmaterialien, die Auswahl der Komponenten und die endgültige Stückliste betrifft. Wie gezeigt, müssen Entwickler bei der Auswahl geeigneter aktiver und passiver Komponenten genau auf Datenblätter, Herstellerdefinitionen und Komponentenparameter achten. Ich würde auch vorschlagen, mit dem Lieferanten ein Gespräch über die Besonderheiten Ihres Entwurfs zu führen, nur um sicherzugehen.

Verwandte Inhalte

Triad Magnetics, „UL Listed vs. UL Recognized: Was ist der Unterschied?“

https://info.triadmagnetics.com/blog/ul-listed-vs-ul-recognized

Vishay Intertechnology, „Ein Überblick über die Hochspannungswiderstände von Vishay Dale“

https://www.vishay.com/docs/49601/_high_voltage_resistors_vmn-sg2087-1612.pdf

Vishay Intertechnology, „Produktübersicht zu Dünnschicht-Hochspannungswiderständen“

https://www.vishay.com/docs/48637/_tnpv_ppt_product_overview_nov2018.pdf