Unter Hochspannung Entwicklung von Leistungsmesstechnik

Die Entwicklung eines Instruments, das sehr kleine Ströme messen und gleichzeitig Spannungen bis zu 3000 V ausgeben kann, ist eine große Herausforderung. Diese zu meistern ist keine einfache Aufgabe; allein die Sicherheitsvorkehrungen kosten sehr viel Zeit und Planung.

Die Entwicklung eines Hochspannungsinstruments bringt völlig neue Prototyping- und Testherausforderungen mit sich. Dinge, die normalerweise selbstverständlich sind, wie die Verfügbarkeit von geeigneten Laborinstrumenten, Laboren, Kabeln, Erdung und Sicherheitsverriegelungen erfordern besondere Überlegungen. Während der Entwicklung der Source-Measurement-Unit (SMU) »Modell 2657A« aus der »SourceMeter«-Familie stand das Entwicklungsteam von Keithley unterschiedlichen Herausforderungen speziell im Zusammenhang mit hohen Spannungen gegenüber.

Die letzte von Keithley entwickelte Hochspannungs-SMU war ein 1100-V-/20-W-Gerät, das in den 1990er Jahren vorgestellt wurde. Das mit einer Spannungsquelle für bis zu ±3000 V und einer Leistung von 200 W ausgestattete Modell 2657A ist damit das Ins-trument mit der bislang höchsten Spannung, das bei dem Unternehmen jemals entwickelt wurde.

Um die nächste Generation von Leistungshalbleitern charakterisieren und testen zu können, muss dieses Instrument auch sehr kleine Ströme von einigen hundert Femtoampere messen können. Durch diese Kombination von Anforderungen musste das Entwicklungsteam alle Sicherheitsvorkehrungen vom Entwicklungslabor über die Fertigung bis hin zur Kalibrierung und Reparatureinrichtungen überdenken. Zudem erforderte das Design auch eine außerordentliche Disziplin und einen gewissen Einfallsreichtum.

Die Herausforderungen betrafen auch Aspekte, welche die Entwickler üblicherweise als selbstverständlich betrachten, wie die Bauteile und verwendeten Geräte, Debugging-Verfahren und besonders der Projektplan: Einfach alles war schwieriger, kostspieliger und zeitaufwendiger als bei einem Projekt mit niedrigeren Spannungen. Außerdem galt es, von Anfang an zu berücksichtigen, wie die Kunden das Produkt benutzen und wie es die Vertriebs- und Applikations-ingenieure vorführen würden. Ein wichtiger Aspekt war sicherzustellen, dass das System einfach zu nutzen und zu demonstrieren war. Besondere Testadapter waren ebenfalls notwendig, um die Sicherheit des Anwenders zu gewährleisten und um Schäden an anderen Apparaturen zu vermeiden.

Sicherheit hat Vorrang

Der erste Schritt war die Vorbereitung der Mitarbeiter und der Arbeitsumgebung auf die neuen Sicherheitsanforderungen. Dies umfasste ein internes Sicherheitstraining für alle Kollegen, die mit hohen Spannungen arbeiten und ein HLW-Training (Herz-Lungen-Wiederbelebung) für die Design- und Fertigungsteams. Später waren natürlich Sicherheitsanweisungen für die Endanwender des Produktes zu entwickeln. Die Entwicklungsleitung richtete auch neue Hochspannungsbereiche für die Entwicklung, Fertigung, Kalibrierung und Reparatur in den amerikanischen und internationalen Standorten ein, mit Notausschaltern und Verriegelungsschutzschaltern.

Da ein für die Kunden sicheres Produkt entwickelt werden sollte, wurde das firmeneigene Sicherheitsteam bereits sehr frühzeitig in den Designprozess einbezogen. Gemeinsam entwickelte man ein Systemisolations-Blockdiagramm (IBD), das die verschiedenen Spannungsbaugruppen definierte und die notwendigen Abstände, Kriechstrecken und Kontaktabstände zwischen den einzelnen Baugruppen festlegte.

Die Spannungsabstandsregeln werden durch internationale Standards definiert. Diese stellten das Team vor viele Schwierigkeiten beim mechanischen und elektrischen Layout, wobei einige Schaltungsgruppen einen Abstand von mehr als 5 cm benötigten. Diese Spannungsabstandsregeln wurden auch in die CAD-Software für das Leiterplatten-Design eingegeben, um die IBD-Abstandsregeln während des Leiterplatten-Layouts zu gewährleisten. Ebenso wurden mithilfe einer 3D-Mechanik-CAD-Software die Abstände zwischen den einzelnen Baugruppen und den Baugruppen und dem Gerätegehäuse überprüft, bevor die Baugruppen gefertigt wurden.

Ein großer Teil der veranschlagten Entwicklungszeit war dem Entwurf von Lösungen gewidmet, um die Auswirkungen dieser Abstands-anforderungen zu minimieren. In einem Fall hätten die Schrauben, die für die Montage der Hauptbaugruppe in das Gehäuse benötigt wurden, einen Mindestabstand von 17 mm zu analogen Bauteilen oder Leiterbahnen einhalten müssen.

Aufgrund des großen Formats der Baugruppe waren mindestens zwölf Montagepunkte notwendig, sodass sehr viel Platz auf der Leiterplatte freigeblieben wäre. Um diesen Platz zu minimieren, entwickelte das Team ein mechanisches Montagebauteil, das die Schraube in der Leiterplatte vom Chassis isoliert und so die erforderliche Kriechstrecke von der Schraube zum Chassis gewährleistet.

Da der Schraubenkopf so quasi »potenzialfrei« war, blieb auf der Leiterplatte zusätzlicher Platz für die Bauteilbestückung. In anderen Fällen war die einzige Möglichkeit, um den benötigten Abstand sicherzustellen, die Baugruppen auf mehrere kleinere Leiterplatten aufzuteilen. Eine weitere Herausforderung war die schnelle digitale Kommunikation von der Mikroprozessorkarte zu der potenzialfreien analogen Schaltung.

Normalerweise finden kostengünstige, mehrkanalige digitale Isolatoren Verwendung, um die Anforderungen hinsichtlich des Spannungsabstands zu erfüllen. Da es in diesem Fall keine einfachen Ein-Bauteil-Lösungen gab, kam eine Übertragung mittels Glasfaser zum Einsatz, mit entsprechenden diskreten Sendern und Empfängern. Dies ist eine teure Lösung mit großen Bauteilen.

Um den Platzbedarf und die Kosten zu minimieren, wurde das Kommunikationssystem von ursprünglich acht Signalpfaden auf nur noch drei Kanäle »eingedampft«. Ein Vorteil des Glasfasersystems mit separaten Sendern und Empfängern war, dass die Chassis-basierenden Kommunikationssignale nicht auf dem floatenden Hauptanalogboard liegen mussten. Dadurch wurde Platz auf dieser Leiterplatte frei, der ursprünglich für Kriechstrecken zwischen den analogen Schaltungen und den Kommunikationsschaltungen reserviert war.

Obwohl fortschrittliche CAD-Tools zur Verfügung standen, kam es beim Einschalten einer neuen Schaltungsversion gelegentlich zu überraschenden, plötzlich auftretenden elektrischen Lichtbögen. Dies war ein eindeutiges Zeichen dafür, dass irgendwo ein Abstand nicht ausreichend groß war. Regelmäßige Sicherheitsüberprüfungen halfen dabei, neue Probleme frühzeitig zu erkennen. Im Zuge der Produktverfeinerung musste das IBD immer wieder angepasst und verfeinert werden.

Völlig neue Designverfahren

Die Entwicklung eines Instruments, das sehr niedrige Ströme misst und gleichzeitig eine Ausgangsstufe zur Erzeugung von Spannungen bis 3000 V hat, ist eine große Herausforderung. Bisherige SMUs in dieser speziellen Produktfamilie konnten nur Spannung bis 200 V erzeugen. Bei diesem Design wurde, um eine um etwa den Faktor 10 höhere Spannung zu erreichen, die in den Kapazitäten der Schaltung gespeicherte Energie um einen Faktor von mehr als 100 vervielfacht (E = ½·C·U2). Zusätzlich mussten Bauteile, die sowohl mit 3000 V als auch mit den Schaltungsteilen für niedrige Ströme verbunden sind, wie die Leiterplatte, eine Impedanz von mehr als 3000 V/100 fA oder 3·1018 Ω aufweisen.

All dies erforderte völlig neue Layout-, Guarding- und Schutzverfahren sowie eine Auswahl von Isolationskomponenten, die sowohl für hohe Ausgangspannungen als auch für niedrige Ströme geeignet sind. In diesem besonderen Design enthielt der Strommessteil viele MOSFET-Bauteile für Bypass-Funktionen und die Bereichsumschaltung. Außerdem kamen einige Kompensationskondensatoren zum Einsatz, um die Ausgangspannungen mit dem Strommessteil zu koppeln.

Obwohl diese Teile problemlos in ähnlichen Niederspannungsprodukten arbeiteten, wurde aufgrund der höheren Spannung in diesem Design deutlich mehr Energie in den Kondensatoren gespeichert als in den Niederspannungsdesigns. Bei einem Kurzschluss im Testobjekt kann diese Energie plötzlich in den Strommessteil gelangen und dort die empfindlichen Bauteile beschädigen. Dies kann einen vollständigen Ausfall der MOSFETs oder einen erhöhten Leckstrom zur Folge haben.

Das bedeutete, dass neue Möglichkeiten entwickelt werden mussten, um die Spannungen zu verringern oder die gespeicherte Energie um die Schaltungen herumzuleiten, um so diese empfindlichen Bauteile zu schützen. Diese Bypass-Schaltungen mussten entweder von Haus aus bereits eine hohe Impedanz aufweisen oder entsprechend geschützt werden, um diese hohe Impedanz zu erreichen.

Zu den Problembauteilen gehörten auch die Kompensationskondensatoren, welche die Hochspannungsseite mit der Strommessschaltung verbinden. Da diese Bauteile nicht geschützt werden konnten, mussten sie eine hohe Impedanz aufweisen. Nach langer Suche fanden die Bauteilbeschaffer schließlich einen Kompensationskondensator, der für diese hohe Spannung geeignet war und gleichzeitig einen geringen Leckstrom gewährleistete.

Zudem erfüllte er auch die anderen entscheidenden Parameter, wie Bauteilgröße und dielektrische Absorption. 3D-Druck als  Rettung Geeignete Hochspannungskondensatoren zu finden, war nicht die einzige Schwierigkeit, der die Bauteilbeschaffung gegenüberstand. Für die Force- und Sense-Leitungen zum Testobjekt (DUT) waren rauscharme Triax-Kabel notwendig, die für Spannungen von 3000 V zwischen dem Mittelleiter und der inneren Schirmung sowie zwischen der inneren und äußeren Schirmung geeignet sind.

Zudem musste auch ein niedriger Leckstrom zwischen dem Mittelleiter und der inneren Schirmung gewährleistet sein, um auch Sub-Picoampere-Messungen durchführen zu können. Vor Projektstart gab es derartige Kabel nicht, also begann das Team, diese zusammen mit Kabelherstellern gemäß den Anforderungen zu entwickeln. Nach Definition und Verifikation des Kabels stand die Entwicklung der Triax-Steckverbinder an, die ebenfalls sämtliche Hochspannungs-, Leckstrom- und Sicherheitsanforderungen erfüllen mussten.

Dieses Steckverbinderdesign musste für verschiedene Einsatzbereiche nutzbar sein, wie die Montage auf Baugruppen und Frontplatten sowie für Gehäusedurchführungen. Von einem halben Dutzend angesprochener Steckverbinderhersteller hatte nur einer die Möglichkeit, einen kundenspezifischen Hochspannungs-Triax-Steckverbinder zu entwickeln.

Die komplizierteste Aufgabe war schließlich das Design eines Ausgangsrelais als Hochspannungsschalter. Dieses musste der doppelten maximalen Spannung standhalten können und zudem einen niedrigen Leckstrom aufweisen. Dabei sollte dieses Relais als ein Ausgangs-On/Off-Relais für das Produkt und auch in einem Schaltsystem zum Einsatz kommen können. Dies machte die Relaisdefinition komplizierter, weil jede Relaisanwendung unterschiedliche Anforderungen hinsichtlich des Sicherheitsabstands hatte.

Diese Aspekte mussten in eine einzige Definition auf der Basis des Worst-Case-Sicherheitsabstands kombiniert werden. Die SMU-Gruppe diskutierte mögliche Lösungen mit Ingenieuren von zwei verschiedenen Anbietern, entwickelte dann Prototypen und testete diese. Nach mehreren Meetings und dem Test einiger Prototypen fiel die Entscheidung für ein Split-Guard-Reed-Relais.

Im Verlauf der Prototypentests fanden die Entwickler ein geeignetes Material, das die erforderliche hohe Isolierung und niedrigen Leckstrom gewährleistete. Zu diesem Zeitpunkt war einer der beiden Relaishersteller bereits aus dem Rennen. Im Folgenden zeigte sich, dass Standardspulen nicht ausreichten, um einige der benötigten Kriechstrecken zu erfüllen.

Der Relaisanbieter entwickelte daraufhin mehrere kreative Spulendesigns, welche die Anforderungen erfüllten und trotzdem ein herstellbares Relais ermöglichten. Der Anbieter nutzte hierfür 3D-Druckverfahren, mit denen die entsprechenden Spulenprototypen schnell für Evaluierung und Tests zur Verfügung standen. Am Ende stand ein robustes Relais, das die strengen Anforderungen erfüllte.

Auch die Design- und Debugging-Prozesse dauerten merklich länger als bei früheren SMU-Entwicklungsprojekten. Der Grund war hauptsächlich die höhere Komplexität beim Prototyping der Hochspannungsdesigns und der Hochspannungsmessungen. Zur Vorbereitung auf die ersten Prototypen-Baugruppen galt es beispielsweise, erst leistungsfähige Hoch-spannungs-Stromversorgun-gen zu beschaffen, um das Debugging der Schaltungen durchführen zu können.

Die Entwicklungsgruppe musste außerdem geeignete DC- und AC-Tastköpfe für die Hochspannungsmessungen finden (oder in manchen Fällen sogar selbst entwickeln). Floatende Schaltungen sind in SMUs üblich, und einige können auch bis zu 3 kV hoch liegen. Es waren umfassende Analysen notwendig, um herauszufinden, wo die Tastköpfe platziert und welche Instrumente für die jeweiligen Messungen verwendet werden konnten.

Alle Anlagen mussten richtig geerdet werden, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten. Die hohe Energie der Hochspannung bedeutete, dass jeder Messfehler eine potenzielle Gefahr für die Prüfeinrichtung oder die zu prüfenden SMU-Schaltungen darstellt, was kostspielige Ausfallzeit für Reparaturen zur Folge haben kann. In vielen Fällen war nach einem Hochspannungslichtbogen auf der Platine ein mehrere Tage dauerndes Debugging und nachfolgende Reparatur fällig.

Bis das Team die Ursache eines Problems lokalisieren konnte, musste dieser Prozess mehrfach wiederholt werden: die Baugruppe mit Spannung versorgen, den Test durchführen, bis der Lichtbogen auftritt, und hoffen, dass die Ursache entdeckt würde, dann die Baugruppe reparieren und den Test erneut ausführen. Manchmal waren die Entwickler gezwungen, in einem abgedunkelten Raum zu arbeiten, um die Quelle des Lichtbogens zu finden.

Selbst einfache Messungen waren aufgrund der Hochspannung oftmals sehr umständlich. Zuerst wurde die Spannungsversorgung abgeschaltet, dann bestimmt, welche Tests notwendig waren; erst dann konnten die Tastköpfe angebracht, die Stromversorgung eingeschaltet und die Messung ausgeführt werden. Um allein einen Tastkopf zu versetzen, musste auch hier zuerst die Stromversorgung abgeschaltet, der Tastkopf versetzt und dann die Stromversorgung wieder eingeschaltet werden.

Nur mit Hilfe dieses äußerst zeitaufwendigen Verfahrens war ein sicheres Arbeiten bei floatender Hochspannung möglich. Sobald hohe Spannungen anliegen, darf außerdem das eingeschaltete Testobjekt nicht mehr berührt werden. Die Testobjekte befanden sich daher in einem verriegelten Adapter, der erst nach dem Abschalten der Stromversorgung geöffnet werden konnte.

Erst dann war es möglich, das Testobjekt zu wechseln und einen neuen Test auszuführen. Bei der Entwicklung von Niederspannungsinstrumenten können die Entwickler normalerweise heiße oder beschädigte Bauteile mittels Berührung identifizieren, aber auch das war beim Modell 2657A nicht möglich. Eine Wärmebild-kamera leistete unschätzbare Dienste beim sicheren Auffinden dieser Bauteile. Nach dem Auftreten eines Lichtbogens unterstützte diese Kamera auch bei der Suche nach beschädigten Bereichen auf der Leiterplatte (Bild 1).

Die Entwicklung der SMUs war nur ein Aspekt der Entwicklung eines Hochleistungs-/Hochspannungssystems. Der Anwender braucht zusätzlich einen Hochspannungstestadapter mit Sicherheitsverriege-lung, um die Testobjekte anschließen zu können. Auch das Vertriebsteam benötigt diese Vorrichtung für eine sichere Präsentation der Instru-mente.

Zudem waren spezielle Verbindungsboxen notwendig, um die LO-Anschlüsse der verschiedenen Instrumente mit hohen und niedrigen Spannungen sicher zu verbinden. Ebenso wurden besondere Schutzmodule benötigt, um die HI-Anschlüsse von mehreren Nieder- und Hochspannungsinstrumenten anzuschließen und dabei die Niederspannungsinstrumente vor Schä-den bei einem Geräteausfall zu schützen. Schließlich galt es, eine Möglichkeit zu finden, um die verschiedenen Instrumente und Schnittstellenboxen in einem System mit unterschiedlichen Konfigurationen zu verkabeln und zu erden (Bild 2).

Über den Autor:

Kevin Cawley ist Principial Engineer bei Keithley Instruments.