Netzteile Zuverlässig zu hohen Spannungen

Bei der Entwicklung von Systemen, die mit hohen Spannungen arbeiten, sind besondere Regeln zu beachten, damit sie dauerhaft zuverlässig arbeiten. Da auch solche Systeme zunehmend kompakter werden, wird es immer wichtiger, diese besonderen Regeln für Entwicklung und Fertigung zu kennen.

von Mike Doherty, Vice President für High Voltage Products bei XP Power.

Materialien lassen sich grundsätzlich in Leiter und Isolatoren einteilen – so haben wir es jedenfalls in der Schule gelernt. Beispielsweise wurde uns beigebracht, dass Luft ein Isolator sei. Allerdings beweist jeder Blitz, Luft muss nicht immer ein Isolator sein. Hochspannung gleicht einem eingesperrten wilden Tier, das ständig probiert auszubrechen. Dessen Zähmung und Kontrolle ist die Aufgabe der Hochspannungsingenieure und Physiker.

Heute ist eine große Auswahl von Isolationssystemen und Materialien verfügbar, aber es gibt noch viele Faktoren, die einen Ausfall von Isolationen weit unter ihrer Nennspannung hervorrufen können. Das Ergebnis endet meist in einer Katastrophe.

Katastrophenschutz

Dieser Artikel will einige Punkte hervorheben, die wichtig für die Entwicklung einer langfristig zuverlässigen Hochspannungsstromversorgung sind. Ein erster Faktor für hohe Zuverlässigkeit ist das sorgfältige Beachten der thermischen Zyklen, die in einer Stromversorgung auftreten können. Materialpaarungen mit unterschiedlich thermischen Ausdehnungskoeffizienten führen zu einer erhöhten mechanischen Beanspruchung, was letztendlich dazu führen kann, dass eine Isolation bricht. Andere Faktoren sind schlechte Verklebung, Sprödigkeit durch den Verlust von Weichmachern aufgrund von Alterung, übermäßige Temperaturschwankungen, UV-Bestrahlung, Belastung durch Koronaentladung, Ozon, Mineralöl und aggressive Leiterplattenreiniger oder Lösungsmittel.

Die Kombination von Materialeigenschaften, Umweltfaktoren und Produktdesign kann unerwünschte Nebenwirkungen hervorrufen. Verunreinigungen, fehlerhafte oder ungleichmäßige Verteilung von Füllstoffen und unvollständige Selbstheilung in Isolationssystemen sind mögliche Ursachen für zu hohe Leckströme. So können Leckströme über die Zeit langsam anwachsen und letztendlich mit einem Lichtbogen zum Totalausfall führen. Zu hohe Leckströme in hochohmigen Regelschleifen lassen die Spannung zeit- oder temperaturabhängig driften, sodass ein System instabil werden kann. Das Leiterplattenmaterial FR4 ist besonders anfällig für Verschmutzung oder Absorption von Feuchtigkeit. Diese Feuchtigkeit senkt die Glasübergangstemperatur (Tg) von FR4. Feldausfälle in thermisch dynamischen Umgebungen sind damit programmiert.

Auch elektrochemische Migration von Stoffen kann zu Ausfällen führen. Feuchtigkeit kann ionische Korrosion verursachen und durch umverteilte Metallionen könnten Dendriten wachsen. Hochspannungsbelastungen beschleunigen diese elektrochemischen Prozesse noch, obgleich Zinn-Whisker auch ohne die Anwesenheit eines elektromagnetischen Feldes wachsen können. Durch Ionenwanderung geschaffene kristalline Mikrostrukturen führen zu sehr hohen Spannungsgradienten und elektrischen Feldstärken, sodass die Isolation zwischen Spannungsknoten vorzeitig versagen kann. Die richtigen Konstruktions- und Fertigungskontrollen sind hier sehr wichtig und müssen in der Regel den üblichen Industriestandard weit übersteigen.