Startseite > Distribution > Richtig dimensionieren

Bauteile für Hochspannungs-Applikationen

Richtig dimensionieren

20. Juli 2015, 10:44 Uhr | Von Bill Schweber

▶ Diesen Artikel anhören

Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Verbindungselemente und Leitungen

Wie sieht es bei Verbindern und Leitungen aus? Gemeinhin zählt man diese ja nicht unter die passiven Bauelemente, und doch spielen diese Bauteile in Hochspannungsdesigns eine wichtige Rolle. Also muss man bei ihnen die gleichen Parameter beachten wie bei Widerständen, Kondensatoren und Spulen. Wie bei Leiterbahnführung und Verdrahtung sind auch bei anderen Hochspannungsverbindungen Kriech- und Luftstrecken primäre Faktoren.

Allerdings gibt es zwischen Leiterbahnführung und Bauteilanordnung einerseits und Verbindern und Leitungen andererseits einen wesentlichen Unterschied: Für erstere ist der Entwickler selbst verantwortlich, Verbinder und Leitungen indes kauft er zu. Egal, ob es sich um einen Standardverbinder oder ein kundenspezifisches Modell handelt: Im Fall eines Verbindungselementes bestimmt der Hersteller dessen Spannungsfestigkeit in verschiedenen Anwendungen und Situationen.

Praktisch alle Hochspannungsverbinder sind für einen speziellen industriellen Anwendungszweck konstruiert und nicht etwa für allgemeine Hochspannungsanwendungen. Ein Hersteller könnte für einen bestimmten Verbinder etwa angeben: „zugelassen bis 2000 V für medizinische Anwendungen gemäß Standard IEC 60601“. Er bestätigt damit die Brauchbarkeit des Bauteils für einen bestimmten Zweck und liefert dem Entwicklungsingenieur die notwendige Information, die er für die Auswahl eines Verbinders braucht.

Die Kabelbaugruppen HVTT und HVTE von TE Connectivity beispielsweise sind Hochspannungskabel und -verbinder für den Einsatz in elektrischen Schienenfahrzeugen. Sie sind (je nach Modell) spezifiziert bis 15/25 kV bei Triebfahrzeug und Wagen für den Anschluss an die Oberleitung und die Verbindung von Baugruppen untereinander. Außer der Gleichstromspezifikation halten sie Wechselspannungen bis 50/90 kV und Spannungsimpulse bis 125/175 kV aus. Die Verbinder sind aus naheliegenden Gründen räumlich groß, haben einen Durchmesser von 90 bis 135 mm und sind für eine Kriechstrecke von 650 bis 1000 mm ausgewiesen. Die Kabelenden sind mit strapazierfähigen Schrumpfschläuchen ummantelt, die Feuchtigkeit und Schmutz von den Leitern fernhalten.

Man braucht für Hochspannung auch aktive Elemente

Bei Hochspannungsdesigns muss man hohe Ströme bei hohen Spannungen auch steuern und schalten können. Zu diesem Zweck setzt man meistens IGBTs und MOSFETs ein, aber auch Röhren spielen auf diesem Gebiet erstaunlicherweise immer noch eine erhebliche Rolle. Gerade in Hochfrequenzanwendungen können diese mit großen Leistungen umgehen und viel Abwärme ableiten.

Auf den ersten Blick ist die Entscheidung schwierig, ob man einen MOSFET oder einen IGBT einsetzt. Generell sind IGBTs besser für höhere Spannungen und höhere Ströme bei geringeren Schaltfrequenzen geeignet. MOSFETs indes sind günstiger bei geringeren Spannungen, geringeren Strömen und höheren Schaltfrequenzen.

Welchen Typ von diskreten Leistungsschalter man auch wählt – die Wahl des Gehäuses ist von drei Faktoren bestimmt:

- Spannung (dabei geht es um Luft- und Kriechstrecken)

- Strom (dickere Anschlüsse verringern den Spannungsabfall und somit den Leistungsverlust)

- Wärmeabfuhr

Ein möglichst niedriger Wärmewiderstand vom Die zum Gehäuse sorgt dafür, dass die intern entstehende Wärme möglichst leicht aus dem Die und Gehäuse herausfließt. Dabei ist es unerheblich, ob diese Wärme am Restwiderstand R_DS(on) eines MOSFET entsteht oder durch den Spannungsabfall an den Dioden eines IGBT.

Der IGBT IRG7PK35UD1 von International Rectifier (Bild 3) beispielsweise ist für 1400 V spezifiziert. Er ist gedacht für den Einsatz in Resonanzwandlern hoher Leistung, die man in Induktionskochplatten und Mikrowellenherden braucht. Dieser IGBT bietet außer 1400 V Spannungsfestigkeit einen Dauerkollektorstrom von 40 A und eignet sich für Schaltfrequenzen zwischen 8 und 30 kHz. Für einen IGBT ist das sehr schnell.

Gemäß seiner Spannungs- und Strombelastbarkeit sowie einer maximalen Verlustleistung von 167 W ist der IGBT in ein Standardgehäuse TO 247 eingebaut. Jeder der drei Anschlüsse ist etwa 1 mm breit, die Anschlüsse haben einen Minimalabstand von 5 mm. Das passt gut zu der Spezifikation 1400 V/40 A.