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MOSFETs im TO-220 FullPAK Wide Creepage

Isolationskriterien erfüllen

23. Mai 2017, 10:00 Uhr | Von Srivatsa Raghunath

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Der Parameter Kriechstrecke

Ein weiterer wichtiger Parameter in AC/DC-Schaltnetzteilen sind Kriechstrecken. Als Kriechstrecke wird der kürzeste Pfad zwischen zwei leitenden Materialien definiert – gemessen an der Oberfläche des Isolators, der die Leiter trennt. Die Kriechstrecke ist somit die Distanz zwischen den Anschlüssen des Gehäuses, die auf die Leiterplatte montiert werden. Die Einhaltung einer ausreichenden Kriechstrecke reduziert das Risiko von Fehlern aufgrund von elektrischen Überschlägen.

Die in den Sicherheits-Standards für Schaltnetzteile definierte minimale Kriechstrecke hängt von der Betriebsspannung, dem Verschmutzungsgrad, der Art der Isolation, der Kriechstromfestigkeit des Isolationsmaterials (Comparative Tracking Index, CTI) und dem Schaltungstyp (Primärschaltung, etc.) ab.

Um das Auftreten von Fehlern zu untersuchen, betrachten wir eine typische Stromversorgung für Fernseher oder PCs. Wie bei anderen Geräten auch, findet man hier eine Belüftung in den Gehäusen, die einen Luftstrom ermöglicht und so die Kühlung der internen Komponenten unterstützt. Manchmal wird auch noch ein interner Zwangslüfter eingesetzt.

Über die Belüftung können allerdings auch Staubpartikel und andere Verschmutzungen eindringen. Die Schmutzteile können sich an den Anschlüssen der Komponenten ablagern und somit die effektive Kriechstrecke verkürzen. Dies erhöht die Gefahr von elektrischen Überschlägen zwischen den Pins. Derartige Überschläge stellen ein Sicherheitsproblem dar und können mitunter die MOSFETs zerstören.
Angesichts der geschilderten Problematik definiert die Norm EN60664-1 die Kriechstrecke abhängig von dem Grad der Verschmutzung. Während beispielsweise die Kriechstrecke in einer sauberen oder versiegelten Umgebung 2,5 mm beträgt, sind für Anwendungen mit offenem Gehäuse oder in schmutzigen Umgebungen mindestens 3,5 mm gefordert.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, die Kriechstrecke zu erhöhen. Dazu gehören zum Beispiel Isolierschläuche sowie die hermetische Ummantelung der Anschlüsse bei Durchsteck-Bauelementen. In manchen Fällen werden die Anschlüsse auch mit Silikon umgossen. Allerdings ist es sehr aufwendig, diese Prozesse zu automatisieren, und sie sind mit zusätzlichem Zeit- und Kostenaufwand verbunden.
Deshalb bietet Infineon für seine MOSFETs nun das TO-220 FullPAK mit längeren Kriechstrecken (Wide Creepage) an. Das neue Gehäuse hat größere Abstände zwischen den Anschlüssen (4,25 mm) und einen um etwa drei Prozent längeren Gehäusekörper als ein Standard-TO-220-Gehäuse – bei annähernd gleicher Höhe und Dicke.

Mit so geringen Abweichungen können nach wie vor die gleichen Kühlkörper verwendet und auch Standard-Tools für die automatische Verarbeitung genutzt werden. Gleichzeitig erhält man ausreichende Kriechstrecken auch für Umgebungen, wo von einem erhöhten Verschmutzungsgrad auszugehen ist, ohne dass zusätzliche und teils manuelle Prozessschritte zu berücksichtigen sind. Damit lassen sich mit den neuen Gehäusen Prozessverbesserungen und Kostensenkungen beim Kunden erzielen.

Obwohl das TO-220 FullPAK Wide Creepage die Abstände zwischen den Anschlüssen erhöht, muss auf den Abstand zwischen den MOSFET-Anschlüssen und dem Kühlkörper geachtet werden. Dies kann relativ einfach umgesetzt werden, indem man einen Kühlköper auswählt, der aufgrund seiner Form nicht zu nahe an die Anschlüsse kommt.

Letztendlich ist noch die Art und Weise zu bedenken, wie der MOSFET mechanisch mit dem Kühlkörper verbunden wird. Eine weit verbreitete Technik ist dabei die Verwendung eines speziellen Isolierungs-Clips oder einer Isolierungs-Folie.