Versteckte Mikrorisse in Hochspannungs-Scheibenkondensatoren: Warum sie ausfallen

Versteckte Mikrorisse in Hochspannungs-Scheibenkondensatoren: Warum sie ausfallen

Abstract

Sinterspannungen, Lötstellen und Transportvibrationen verursachen Mikrorisse in Hochspannungs-Scheibenkeramikkondensatoren. Diese Risse bestehen routinemäßige Kapazitäts-, Verlustfaktor- und Isolationswiderstandsprüfungen, wachsen jedoch unter Wechselstrombelastung bis zum Ausfall des Bauteils. Dieser Artikel beschreibt die Gleichung für das Rissspitzenfeld, das Risswachstumsgesetz und das Gesetz zur Lebensdauer bei Teilentladungen, vergleicht vier zerstörungsfreie Prüfverfahren und listet die Prüfschritte auf, die Feldausfälle minimieren.

1. Einleitung

Die Röhre eines Computertomographen wird von einem Generator gespeist, der über eine Multiplikatorkette 80–150 kV liefert. Jede Stufe verwendet Keramikscheibenkondensatoren mit einer Nennspannung von 2–30 kV. Fällt ein Kondensator aus, löst der Röhrenschutz aus und die Untersuchung wird abgebrochen.

Keramikscheibenkondensatoren werden bei über 1,300 °C gesintert. Restspannungen aus dem Sinterprozess, Temperaturschocks beim Löten der Anschlüsse und Vibrationen beim Transport führen zu 10–100 µm großen Rissen im Inneren des Kondensators. Die Epoxidbeschichtung verdeckt diese Risse vor visueller Sicht.

Routinemäßige elektrische Prüfungen bestehen das Bauteil mit dem Riss. Die Kapazität beträgt weiterhin 4,700 pF bei 1 MHz, der Dämpfungsgrad (DF) bleibt unter 0.2 % und der Isolationswiderstand liegt bei 500 V Gleichspannung über 10 GΩ. Keine dieser Prüfungen regt das im Riss eingeschlossene Gas an.

Dieser Artikel erläutert die Gleichung für das Rissspitzenfeld, das Risswachstumsgesetz und das Teilentladungslebensdauergesetz. Anschließend werden vier zerstörungsfreie Prüfverfahren verglichen und die Prüfschritte aufgeführt, die verhindern, dass gerissene Teile in einen Stromwandler gelangen.

2. Kernmechanismus

2.1 Feldkonzentration an einer Rissspitze

Ein Riss ist eine ebene Lücke in der Keramik, sodass sich das angelegte Feld an seiner Spitze konzentriert. Für einen elliptischen Riss der Länge a in einem homogenen Feld E₀ gilt:

E_tip ≈ E₀ · (1 + 2 · √(a / ρ))

wobei E_tip das Feld an der Rissspitze in kV/mm, E₀ das angelegte Feld in kV/mm, a die Risslänge in µm und ρ der Radius an der Rissspitze in µm ist.

Wir setzen a = 50 µm und ρ = 0.5 µm. Die Quadratwurzel ergibt 20, daher ist das Spitzenfeld 21-mal so stark wie das angelegte Feld. Ein Arbeitsfeld von 4 kV/mm erreicht an der Spitze 84 kV/mm, was dem Vierfachen der Feldstärke der umgebenden Keramik von 20 kV/mm entspricht.

2.2 Teilentladung im Riss

Wenn das Magnetfeld an der Spitze die Durchschlagsfestigkeit des Gases im Riss überschreitet, ionisiert das Gas und es kommt zu einer Teilentladung. Jede dieser Entladungen lagert Ladung an den Risswänden ab und setzt Wärme und ultraviolettes Licht frei. Die vom Teilentladungsdetektor gemessene Ladung ist die Scheinladung q in pC.

Die Entladung erhöht auch die lokale Spannungsintensität. Das Risswachstum pro Spannungszyklus folgt einem Potenzgesetz:

da/dN = C · (ΔK_I)^m

Dabei ist da/dN die Rissausbreitung pro Zyklus, ΔK_I die Spannungsintensitätsamplitude in MPa·m^0.5 und C und m die Materialkonstanten der Keramik. Wiederholte Entladung treibt ΔK_I über die Ermüdungsschwelle, und langsames Wachstum führt zu einem durchgehenden Riss.

2.3 Lebensgesetz für einen sich entladenden Teil

Die über viele Jahre gesammelten Daten folgen einem umgekehrten Potenzgesetz zwischen der scheinbaren Gebühr und den Betriebsstunden:

L = L₀ · (q / q₀)^(−β)

wobei L die mittlere Lebensdauer in Stunden, L₀ die Referenzlebensdauer in Stunden, q die scheinbare Ladung in pC, q₀ die Referenzladung in pC und β eine Materialkonstante zwischen 0.8 und 1.5 ist.

Bei L₀ = 10,000 h, q₀ = 5 pC und β = 1.0 erreicht ein Bauteil mit einer Temperatur von 50 pC eine Lebensdauer von 1,000 h. Ein Anstieg von 5 pC auf 25 pC reduziert die Lebensdauer um den Faktor 5.

2.4 Die akustische Auflösung bestimmt den kleinsten sichtbaren Riss.

Die Raster-Akustikmikroskopie sendet Ultraschallwellen in den Körper und bildet die Echos von inneren Grenzflächen ab. Die axiale Auflösung bestimmt den kleinsten Riss, den sie auflösen kann:

R = c / (2 · f)

wobei R die axiale Auflösung in µm, c die longitudinale Schallgeschwindigkeit in der Keramik, nahe 10,000 m/s, und f die Wandlerfrequenz in Hz ist.

Bei 100 MHz beträgt R 50 µm. Ein 400-MHz-Wandler reduziert ihn auf 12 µm. Für einen Riss von 10–20 µm ist ein Wandler mit einer Frequenz über 250 MHz sowie eine geringere Abtastgeschwindigkeit erforderlich, um ein ausreichendes Signal-Rausch-Verhältnis zu gewährleisten.

Abb. 1 — Ein 50 µm langer Riss mit einem Spitzenradius von 0.5 µm multipliziert das Arbeitsfeld um den Faktor 21, wodurch sich die Feldstärke innerhalb der Keramik von 4 kV/mm auf 84 kV/mm erhöht.

3. Schwachstellen im Engineering

Problempunkt 1: Routineprüfungen bestehen nicht auf einem defekten Bauteil

Ein OEM für medizinische Bildgebungssysteme entdeckte in Kondensatoren, die zuvor eine 100%ige Warenausgangskontrolle bestanden hatten, Zwischenschichtrisse von 30–60 µm. Die Bauteile fielen nach drei Monaten im Feldeinsatz aus. Kapazität, Verlustfaktor (DF) und Isolationswiderstand lagen die ganze Zeit innerhalb der Spezifikationen.

Problem 2: Destruktive Probenahme deckt einen Teil ab

Querschnittsanalysen und REM-Aufnahmen zeigen Rissmorphologie im 1-µm-Bereich, zerstören jedoch die Probe. Für eine vollständige Prüfung ist ein Verfahren erforderlich, das alle Teile verwendbar lässt. Die Entnahme von 5 Teilen aus einer Charge von 10,000 Teilen bietet keinen Schutz vor Prozessabweichungen innerhalb dieser Charge.

Problempunkt 3: Empfindlichkeit gegenüber Durchsatz

SAM kann Risse von 10–20 µm auflösen und benötigt 30–120 s pro Bauteil. Röntgen-Mikro-CT kann 5–10 µm dreidimensional auflösen, erfasst jedoch keine flachen, parallel zum Strahl verlaufenden Risse. Die Schallemissionsanalyse erfordert ein belastetes Bauteil und birgt daher Risiken. Infrarotspektroskopie zeigt Oberflächen-Hotspots von 5–20 K, jedoch keine tiefen Risse.

4. Entwurfsschritte

Strategie 1: SAM zur alleinigen Kontrollinstanz für kritische Modelle machen

Stellen Sie einen C-Scan bei 100–400 MHz auf einem 50-µm-Raster ein. Verwerfen Sie alle Teile mit einem Riss, einer Fehlstelle oder einer Delamination oberhalb von 10 µm. Bewahren Sie ein Referenzteil mit einem bekannten 20-µm-Riss in der Vorrichtung auf und überprüfen Sie es täglich.

Strategie 2: Röntgen-Mikro-CT zur Beurteilung, nicht zur Volumenbestimmung verwenden.

Die Mikro-Computertomographie (Mikro-CT) erreicht eine dreidimensionale Auflösung von 5–10 µm. Sie eignet sich für Fehleranalysen, die Validierung von Sinterprozessen und die Erstmusterprüfung. Aufgrund der Kosten pro Bauteil und der Scanzeit ist sie jedoch für die vollständige Prüfung einer großen Charge ungeeignet.

Strategie 3: Fügen Sie einen Teilentladungstest bei 1.2× Nennspannung hinzu

Die Teilentladungsprüfung (TE-Prüfung) macht einen versteckten Riss messbar. Legen Sie den Grenzwert für die Ausgangsladung bei 5 pC und der 1.2-fachen Nennspannung fest. Ein Bauteil mit einem Messwert von 20 pC stellt ein Risiko dar, selbst wenn das SAM-Bild einwandfrei erscheint.

Messen Sie die Teilentladung auch bei der Wechselrichterfrequenz. Ein Riss, der bei 50 Hz störungsfrei bleibt, kann sich bei 80 kHz entladen, da sich das Magnetfeld 1,600-mal schneller umkehrt.

Strategie 4: Überwachung der Lieferkette im Betrieb mittels akustischer Emissionsanalyse

Montieren Sie einen piezoelektrischen Sensor mit 150 kHz an der Tankwand und zählen Sie die Ereignisse pro Stunde. Eine steigende Ereignisrate deutet auf Risswachstum oder aktive Entladung hin. Diese Methode eignet sich zur Online-Überwachung eines in Betrieb befindlichen Stromwandlers.

Strategie 5: Vorprüfung von Chargen mittels Infrarotbildgebung

Die Nennspannung anlegen, 5 Minuten bis zum Erreichen des thermischen Gleichgewichts warten und anschließend die Bauteile abbilden. Ein gerissenes Bauteil ist 5–20 K wärmer als die durchschnittliche Bauteiltemperatur. Das Verfahren ist schnell und berührungslos und eignet sich daher als erste Überprüfung vor der SAM-Analyse.

Strategie 6: Alle Fehler erfassen und statistische Prozesskontrolle durchführen.

Die Ergebnisse der Ultraschall-, PD- und Infrarotprüfung werden nach Lieferant, Charge und Prozess erfasst. Die Fehlerrate wird in einem Regeldiagramm mit Grenzwerten von ±3 Standardabweichungen dargestellt. Bei Abweichungen wird umgehend reagiert. Sintern, Kantenschleifen und Beschichten beeinflussen die Rissrate am stärksten.

Komponentenparameter	Typischer Wert	Testbedingung
Nennspannung (HVCT8G-Serie)	10 kV DC	Hi-Pot 1.5× für 60 s
Kapazität	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz, 1 V<sub>eff</sub>
ESR bei 1 MHz	unter 50 mΩ	25 ° C
Schleifeninduktivität (E40-Sehne)	unter 8 nH	40 mm Anschlussabstand
Isolationswiderstand	über 10 GΩ bei 500 V Gleichstrom	25 °C, 60 % relative Luftfeuchtigkeit
Temperaturbereich	−40 °C bis +125 °C	IEC 60068-2-Reihe
Impuls-dv/dt-Fähigkeit	über 50 kV/µs	bei Nennspannung

5. HVC N4700 Kondensatoren für NDT-geprüfte CT-Versorgungen

HVC prüft jeden Hochspannungs-Scheibenkondensator auf Defekte, die zu Rissen und Entladungsstellen führen können. Das Dielektrikum besteht aus einer feinkörnigen N4700 (T3M)-Keramik der Klasse I, die zu einem dichten Körper sintert und die Rissbildungsrate senkt.

Sechs Parameter, die hier von Bedeutung sind

• 100%ige SAM-Prüfung. Kritische Modelle durchlaufen einen vollständigen C-Scan bei 100–400 MHz, und Teile mit Rissen, Hohlräumen oder Delaminationen über 10 µm werden aussortiert.
• Teilentladung bei 5 pC. Jedes Bauteil wird zu 100 % mit der 1.2-fachen Nennspannung geprüft, sodass selbst ein Defekt im Submikrometerbereich bei der Betriebsspannung keine Entladung verursacht.
• N4700-Dielektrikum. Dielektrikum der Klasse I weist eine Kapazität im Bereich von −4700 ppm/°C ±1000 ppm/°C von −40 °C bis +125 °C auf und besitzt keine Wickelschichten.
• Thermoschockkontrolle. Das Sinterprofil und die Abkühlgeschwindigkeit werden so eingestellt, dass Eigenspannungen begrenzt werden, und beim Bleischweißen wird ein Niedertemperaturverfahren angewendet, das den Keramikkörper intakt hält.
• Koordinierte Komponenten. HVRGHP Abtastwiderstände, HVR-BSP Dickschichtwiderstände, HVCT8G doorknob Kondensatoren und Fast-Recovery-Dioden Alle Produkte durchlaufen die gleiche Prüfung, sodass eine einzige Qualitätsstufe die gesamte Hochspannungskette abdeckt.
• Vergleichen Sie mit erstklassigen Marken. HVC-Teile entsprechen den elektrischen und Zuverlässigkeitsdaten von Murata DHS, Vishay HVCC und TDK führten die Serie an.

Lieferung und Support

Standardteile werden innerhalb von 4–8 Wochen, kundenspezifische Sets innerhalb von 6–10 Wochen geliefert. Die Anwendungstechnik von HVC unterstützt Sie bei der Spezifikation von zerstörungsfreien Prüfungen (ZfP), der Einrichtung von Teilentladungs-Prüfbedingungen und der Fehleranalyse an zurückgesendeten Teilen.

Bitte senden Sie die Nennspannung, die Kapazität, die Gehäusezeichnung und das Jahresvolumen. HVC sendet Ihnen innerhalb von fünf Werktagen einen Prüfplan, Daten zur Teilentladungsverteilung für die Charge sowie ein Evaluierungsset mit zwei Proben.

6. Häufig gestellte Fragen

Frage 1: Warum wird ein Mikroriss bei routinemäßigen elektrischen Prüfungen übersehen?

Ein kurzer Gleichstrom-Belastungstest regt das Gas im Riss nicht an. Kapazität, Differenzdruck und Isolationswiderstand zeigen normale Werte an, solange sich ein 30 µm langer Riss im Keramikmaterial befindet. Der Riss erzeugt nur unter lang anhaltender Wechselstrom- oder Impulsbelastung ein Signal, wenn die Feldstärke an der Spitze die des Gases übersteigt.

Frage 2: Welchen Grenzwert für Teilentladungen sollte ein Stromwandlerkondensator erfüllen?

Verwenden Sie 5 pC bei 1.2-facher Nennspannung als Basiswert. Das Lebensdauergesetz L = L₀·(q/q₀)^(−β) mit β nahe 1.0 legt die Referenzlebensdauer auf 5 pC fest; ein Bauteil mit 50 pC erreicht ein Zehntel davon. Für hochwertige Bildgebung im 24/7-Betrieb sollte der Grenzwert auf 2 pC reduziert werden.

Frage 3: Welches zerstörungsfreie Prüfverfahren findet den kleinsten Riss?

Rasterakustische Mikroskopie, 10–20 µm, mit einem 100–400 MHz-Schallkopf. Röntgenmikro-Computertomographie (Mikro-CT) löst 5–10 µm dreidimensional auf, erfasst jedoch keine flachen, parallel zum Strahl verlaufenden Risse und ist pro Bauteil deutlich teurer.

Frage 4: Wie oft sollte der SAM-Referenzteil überprüft werden?

Täglich, zu Beginn jeder Produktionsschicht. Verwenden Sie ein Bauteil mit einem bekannten 20 µm langen Riss und überprüfen Sie, ob der C-Scan diesen weiterhin meldet. Ein verschobener Anguss oder ein verschlissener Wandler werden zuerst an diesem Referenzbauteil sichtbar.

Frage 5: Bleibt ein 5-pC-Bauteil im Betrieb bei 5 pC?

Nicht immer. Hitze, Feuchtigkeit und Vibrationen erhöhen den Entladungswert. Ein beschichtetes Bauteil, das bei 25 °C einen Wert von 3 pC aufweist, kann nach 1,000 Stunden bei 85 °C und 85 % relativer Luftfeuchtigkeit einen Wert von 8 pC erreichen. Fordern Sie daher Daten zur Teilentladung nach Temperaturwechselbeanspruchung und Alterung unter Feuchtwärmebedingungen an.

Frage 6: Wie viel Testzeit verlängert ein eingehender PD-Screen?

Rechnen Sie mit 30–60 Sekunden pro Bauteil bei einem 30-kV-Teileprüfgerät mit 5 pC Auflösung. Vergleichen Sie dies mit einem Feldausfall: Ein CT-Generator, der während des Scans auslöst, verursacht einen Serviceeinsatz, eine Rücksetzung des Röhrenschutzes und Ausfallzeiten.

7. Referenzen

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11. HVC-Anwendungsentwicklungsteam Hochspannungs-Keramikkondensator Technische Ressourcen, https://www.hv-caps.com