Selbsterhitzung von ESU-Kondensatoren: Ursachen und thermische Lösungen

Selbsterhitzung von ESU-Kondensatoren: Ursachen und thermische Lösungen

Abstract

Der durch ein Bauteil fließende Reststrom erzeugt Wärme im Dielektrikum und im Metall. Ein elektronisches Stromversorgungsgerät (ESU) betreibt dieses Bauteil mit 300 kHz bis 500 kHz in einem geschlossenen Gehäuse, sodass die Wärme nicht abgeleitet werden kann. Dieser Artikel beschreibt die Verlustgleichung, die ESR-Frequenz-Kennlinie, die vier Ausfallstadien, fünf häufige Berechnungsfehler und die Konstruktionsmaßnahmen, die die Gehäusetemperatur innerhalb der zulässigen Grenzwerte halten.

1. Einleitung

Ein Entwickler von elektrischen Energieversorgungssystemen (ESU) verbringt den größten Teil seiner Arbeitszeit mit der Wechselrichtertopologie, dem Regelkreis und der Ausgangswellenform. Die Erwärmung der Hochspannungsbauteile findet deutlich weniger Beachtung. Sie macht sich erst bei der Prototypen-Fehlerbehebung bemerkbar, wenn ein Bauteil zu heiß zum Anfassen ist oder die Ausgangsspannung nach 20 Minuten Betrieb abdriftet.

Hochfrequente elektrochirurgische Geräte arbeiten mit 300 kHz bis 500 kHz. Bei dieser Frequenz verbleiben einige hundert Milliwatt Reststrom durch den Filter und den Resonanzkreis im Inneren eines kleinen Keramikgehäuses. In einem gekapselten Handstück oder einem kompakten Hauptgerät erhöht diese Wärme die Gehäusetemperatur um 20 °C bis 50 °C.

Der stationäre Wert ist nur ein Teil des Risikos. Wärme erhöht den ESR-Wert, und ein höherer ESR-Wert erhöht die Verluste, sodass sich die beiden Effekte gegenseitig verstärken. Dieser Kreislauf erklärt, warum ein Bauteil, das einen Prüfstandtest bei 25 °C besteht, nach einer Erwärmung ausfallen kann. Dieser Artikel behandelt den Verlustmechanismus, die vier Ausfallstadien und die Fehler, die bei der Dimensionierung des Bauteils auftreten können.

Die Zahlen mögen gering erscheinen, sind aber dennoch schädlich. Ein Reststrom von 1.5 A durch ein Bauteil mit 35 mΩ ergibt 79 mW. Durch ein Bauteil mit 4 mΩ ergibt derselbe Strom 9 mW. Beide Werte sind theoretisch realisierbar; nur einer hält das Handstück innerhalb der zulässigen Oberflächentemperatur von 41 °C.

2. Kernmechanismus

2.1 ESR, ESL und das Serienmodell

Der Realteil ist ein Reihennetzwerk mit drei Gliedern. R ist der äquivalente Serienwiderstand und die Hauptwärmequelle. L ist die äquivalente Serieninduktivität, die die Impedanz oberhalb der Resonanzfrequenz festlegt. C ist die Kapazität, die die Energie speichert. Der Reststrom erwärmt ausschließlich R.

P_loss = I_rms² · ESR(f, T)

wobei I_rms der Effektivwert des Restwelligkeitsstroms, ESR der äquivalente Serienwiderstand bei der Frequenz f und der Temperatur T und P_loss die durchschnittliche Wärme in Watt ist.

Der ESR-Wert ist keine feste Größe. Er sinkt mit steigender Frequenz bis zum Eigenresonanzpunkt und steigt dann wieder an, sobald der induktive Anteil überwiegt. Ein Bauteil mit 1000 pF hat bei 10 kHz einen Widerstand von 12.5 mΩ, bei 100 kHz von 8.2 mΩ und bei 1 MHz von 5.1 mΩ. Bei 10 MHz beträgt der Widerstand desselben Bauteils 18.5 mΩ bei einem Phasenwinkel von +55°, sodass es als Induktivität wirkt.

Der daraus resultierende Dimensionierungsfehler ist erheblich. Verwendet man den Wert von 8.2 mΩ bei 100 kHz zur Dimensionierung eines 10-MHz-Spitzenstroms, so beträgt der tatsächliche Verlust (18.5 / 8.2)² ≈ 5-mal so hoch wie der Schätzwert. Das Bauteil wird heiß, obwohl die Berechnungsunterlagen noch eine Sicherheitsmarge anzeigen.

2.2 Eigenresonanzfrequenz

SRF = 1 / (2π · √(ESL · C))

Dabei ist ESL die äquivalente Serieninduktivität, C die Kapazität und SRF die Frequenz, bei der sich die Reaktanzterme aufheben. SRF sollte über dem Zehnfachen der Schaltfrequenz und über dem Fünffachen der höchsten relevanten Harmonischen liegen.

Eine 400-kHz-ESU mit einer fünften Harmonischen bei 2 MHz benötigt daher eine SRF über 20 MHz. Die HVCHF-Fassröhrenfamilie erreicht eine SRF über 100 MHz bei einer ESL zwischen 3 nH und 6 nH. Oberhalb der SRF ist die Impedanz induktiv, |Z| steigt mit der Frequenz, und die Verluste nehmen rapide zu.

Die Montagehardware trägt ebenfalls dazu bei. Leiterbahnen, Durchkontaktierungen und Lötpads liegen in Reihe mit dem Bauteil, und 20 mm Anschlussdrähte können die beabsichtigte Induktivität verdoppeln. Diese Verschiebung reduziert die spezifische Resonanzfrequenz (SRF) und kann ein gut gewähltes Bauteil bei 10 MHz in den induktiven Bereich bringen.

2.3 Temperatur und Lebensdauer

L = L₀ · 2^((T_max − T_op) / 10)

Dabei ist L die Lebensdauer bei der Betriebstemperatur, L₀ die Nennlebensdauer, T_max die maximale Nenngehäusetemperatur und T_op die tatsächliche Gehäusetemperatur. Jede Temperaturerhöhung um 10 °C über der Nenntemperatur halbiert die Lebensdauer.

Ein Bauteil, das für 85 °C ausgelegt ist und bei 105 °C betrieben wird, verliert den Faktor 2² = 4. Die geplante Lebensdauer von zehn Jahren reduziert sich auf 2.5 Jahre. Dasselbe Bauteil behält bei einer Betriebstemperatur von 95 °C den Faktor 2 und erreicht eine Lebensdauer von 5 Jahren.

Bei medizinischen Geräten sollte die Betriebsspannung maximal 80 % der Nennspannung betragen und mindestens 50 % der Verlustleistung als Reserve vorgehalten werden. Teilentladungen spielen ab der 1.5- bis 2-fachen Nennspannung eine Rolle; eine Spannungsreduzierung erhöht daher auch die dielektrische Reserve.

2.4 Die positive Rückkopplungsschleife

Ein unzureichender Wärmepfad oder eine anhaltende Überlastung führen zu einer Rückkopplungsschleife. Die Temperatur steigt, der ESR-Wert steigt mit ihr, der höhere ESR-Wert erhöht die Verluste, und die zusätzlichen Verluste lassen die Temperatur erneut ansteigen. Keramikbauteile reißen unter der entstehenden thermischen Spannung, die Risse verringern den Isolationswiderstand, und der Leckstrompfad vergrößert sich mit jedem Zyklus.

ΔT = P_loss · θ_JA

Dabei ist θ_JA der thermische Widerstand zwischen Sperrschicht und Umgebung in °C/W, P_loss die Verlustleistung und ΔT der stationäre Temperaturanstieg über der Umgebungstemperatur. Ein Verlust von 79 mW bei einer Montage mit 35 °C/W führt zu einem Temperaturanstieg von 2.8 °C. Derselbe Verlust bei einer Montage mit 150 °C/W führt zu einem Temperaturanstieg von 11.9 °C.

Elektrolytische Bauteile wölben sich, werden undicht und trocknen aus. Tantalbauteile verursachen Kurzschlüsse und Verbrennungen. Keramikbauteile reißen und verlieren ihren Isolationswiderstand. Dünnschichtbauteile altern und degenerieren. Jeder Bauteiltyp versagt auf seine eigene Weise, und alle vier Wege beginnen mit derselben Überhitzung.

Abb. 1 — Der ESR eines 1000 pF Bauteils fällt von 12.5 mΩ bei 10 kHz auf 5.1 mΩ nahe 1 MHz und steigt dann auf 18.5 mΩ bei 10 MHz.

3. Schwachstellen im Engineering

Problem 1: Im Datenblatt wird die ESR-Messung bei der falschen Frequenz durchgeführt.

Die meisten Datenblätter geben den ESR-Wert bei 120 Hz oder 1 kHz an. Ein ESU arbeitet im Frequenzbereich von 300 kHz bis 500 kHz mit Oberwellen bis 10 MHz. Zwischen 1 kHz und 10 MHz ändert sich der Widerstand desselben 1000-pF-Bauteils von über 100 mΩ auf 18.5 mΩ. Ein einzelner Wert kann diesen Bereich nicht abdecken.

Fragen Sie den Lieferanten nach der ESR-Frequenzkurve oder messen Sie diese selbst. Ein Vierpol-Impedanzanalysator mit einer Ansteuerspannung von 1 V_eff liefert die Kurve in weniger als 10 Minuten. Ohne diese Kennlinie basiert die Verlustschätzung auf einem Wert aus der falschen Dekade.

Problempunkt 2: Eine Frequenz wird für einen Mehrfrequenzstrom verwendet

Das Ausgangssignal eines ESU enthält die Grundfrequenz, mehrere Oberwellen und Schaltspitzen. Die korrekte Dämpfung ergibt sich aus der Summe all dieser Komponenten.

P_total = Σ (I_k² · ESR_k)

Dabei ist I_k der Effektivstrom bei der k-ten Harmonischen und ESR_k der Widerstand bei derselben Frequenz. Die alleinige Verwendung der Grundfrequenz kann 60 % bis 80 % der Wärmeentwicklung übersehen, da der Spitzenstrom in der Dekade mit dem höchsten ESR-Wert auftritt.

Problempunkt 3: Hinzukommende Parasiten im Bauteil

Ein Bauteil mit geringer ESL (Elektrostatischer Kurzschlussleitfähigkeit) und langen Anschlussdrähten trägt die Induktivität der Anschlüsse in Reihe. Halten Sie den Rückleitungspfad kurz, platzieren Sie Masse-Vias neben jedem Anschluss und messen Sie die bestückte Schleife, nicht das einzelne Bauteil. Ein 20 mm langes Anschlusspaar kann die Induktivität um 10 nH bis 15 nH erhöhen und den Vorteil eines 6 nH-Gehäuses zunichtemachen.

4. Entwurfsschritte

Strategie 1: Verwenden Sie in jedem Hochstrompfad ein Dielektrikum der Klasse I.

Der Verlustfaktor bestimmt die Wärmebelastung. NPO hält tan δ bei 0.0005, N750 und N4700 bei 0.001, X7R bei 0.025 und Y5U bei 0.05. Bei 125 °C vergrößert sich die Differenz: Y5U erreicht 0.085, was dem 170-Fachen des NPO-Wertes entspricht. Für einen Restwelligkeitsstrom entspricht dies der 170-fachen Wärmemenge. Ein Bauteil der Klasse I wie beispielsweise N4700 hält tan δ bei 0.001 oder darunter über das gesamte ESU-Band.

Strategie 2: SRF von den Oberwellen fernhalten

Die SRF sollte mindestens dem Zehnfachen der Schaltfrequenz und dem Fünffachen der höchsten relevanten Harmonischen entsprechen. Eine 400-kHz-ESU mit einer fünften Harmonischen bei 2 MHz benötigt eine SRF von über 20 MHz. Prüfen Sie den Wert auf der bestückten Platine, nicht auf dem Einzelteil, da die Montageinduktivität in Reihe geschaltet ist.

Strategie 3: Messen Sie den Reststrom und teilen Sie ihn dann auf.

Klemmen Sie eine Stromzange an den Kondensatoranschluss und erfassen Sie den Signalverlauf bei Volllast. Führen Sie eine FFT durch, lesen Sie den ESR-Wert bei jeder Frequenz aus der Kurve ab und summieren Sie die Quadrate. Addieren Sie 50 % zum berechneten Verlust, um Alterungseffekte und Umgebungstemperaturerhöhungen zu berücksichtigen.

Strategie 4: Der Wärme einen Weg zum Chassis ermöglichen.

Vergrößern Sie die Kontaktfläche, um den Kontaktwiderstand zu verringern, und fügen Sie Erdungsdurchkontaktierungen unter den Anschlüssen hinzu. Lassen Sie um das Gehäuse herum genügend Freiraum, damit benachbarte Bauteile nicht die gleiche Kontaktzone haben. Teilen Sie ein großes Bauteil in zwei oder drei parallel geschaltete Bauteile auf, um den Strom pro Bauteil zu reduzieren, und verteilen Sie diese über die gesamte Platine, anstatt sie in einer Ecke zu stapeln.

Strategie 5: Überwachung und Leistungsreduzierung hinzufügen

Platzieren Sie einen NTC-Thermistor innerhalb von 5 mm Entfernung von jedem kritischen Bauteil. Legen Sie einen Firmware-Schwellenwert von 90 °C Gehäusetemperatur fest. Bei Überschreitung dieses Schwellenwerts soll die Firmware die Ausgangsleistung reduzieren oder die HF-Stufe abschalten. Protokollieren Sie den Wert, damit ein zurückgesendetes Gerät Daten und keine Schätzung enthält.

Strategie 6: Validierung mit einer Wärmebildkamera

Betreiben Sie das Gerät 30 Minuten lang unter den ungünstigsten Bedingungen: höchste Umgebungstemperatur, maximale Leistung und Nachalterungsparameter. Nehmen Sie ein Infrarotbild des Bauteils und seiner Umgebung auf. Vergleichen Sie den gemessenen Temperaturanstieg mit P_loss · θ_JA und korrigieren Sie das Modell, bis die beiden Werte innerhalb von 10 % übereinstimmen.

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 das thermische Design von ESU

HVC fertigt in einem 6,000 m² großen, firmeneigenen Werk in Dongguan Keramikbauteile der Klasse I für Hochspannungs-Filter, Snubber und Resonanzpositionen von ESU-Einheiten in einem Spannungsbereich von 1 kV bis 150 kV.

Sechs Parameter, die hier von Bedeutung sind

• tan δ liegt bei oder unter 0.1 %. Der Verlustfaktor bleibt bei 1 MHz und hoher Spannung unter 0.1 %, sodass die Wärmeentwicklung im Gehäuse gering bleibt und die Gehäuseerwärmung innerhalb der zulässigen Grenzen bleibt.
• Die Temperaturkoeffizienten (TCC) betragen −4700 ppm/°C ±1000 ppm/°C bei Bauteilen der Klasse I. Die Kapazität bleibt im Temperaturbereich von −40 °C bis +125 °C konstant, sodass die Filterecke und der Resonanzpunkt an den vorgesehenen Positionen bleiben.
• ESL von 3 nH auf 6 nH. Die Türgrifffamilien HVCT8G und HVDCT Schnittschleifeninduktivität und das damit einhergehende hochfrequente Nachschwingen.
• Teilentladungen unter 5 pC bei 1.5- bis 2-facher Nennspannung. Die Abschirmung auf diesem Niveau begrenzt die dielektrische Degradation unter langfristiger Hochfrequenzbelastung, sodass sich die Verlustkurve über die gesamte Lebensdauer nicht verschiebt.
• Koordinierte passive Teile. HVRGHP-Abtastwiderstände, HVR-BSP Dickschichtteile und Fast-Recovery-Dioden Die Lieferung erfolgt aus einer Charge mit den Kondensatoren für den Filter, den Snubber und die Gleichrichterstufe.
• Vergleichen Sie mit erstklassigen Marken. HVC-Teile entsprechen den elektrischen Parametern und Zuverlässigkeitsdaten von Vishay HVCC, KEMET Radial-Lead, Murata DHS/DHR und TDK UHV/FHV werden in der ESU-Hochleistungsproduktion eingesetzt.

Lieferung und Support

Standardteile werden innerhalb von 4 bis 8 Wochen, aufeinander abgestimmte Sets innerhalb von 6 bis 10 Wochen geliefert, im Vergleich zu den üblichen 20 bis 30 Wochen bei den oben genannten Marken. Die Anwendungstechnik von HVC prüft den Restwelligkeitsstrom, die ESR-Kennlinie bei der Betriebsfrequenz und den Montageplan und erstellt anschließend eine Kostenschätzung.

Bitte senden Sie die Schaltfrequenz, den Verlauf des Restwelligkeitsstroms, die Umgebungsgrenzwerte und die Montagezeichnung. HVC liefert Ihnen innerhalb von fünf Werktagen die Teilenummern mit DF- und ESR-Daten bei der Betriebsfrequenz sowie ein Evaluierungsset mit zwei Mustern.

6. Häufig gestellte Fragen

Frage 1: Wie heiß darf ein ESU-Kondensator werden?

Die Betriebstemperatur sollte 80 % der maximalen Nenntemperatur nicht überschreiten. Ein Bauteil mit einer Nenntemperatur von 105 °C sollte unter 84 °C betrieben werden, ein solches mit einer Nenntemperatur von 125 °C unter 100 °C. Die Lebensdauer halbiert sich für jede 10 °C über der Nenntemperatur. Ein Bauteil mit einer Nenntemperatur von 85 °C, das bei 105 °C betrieben wird, hat somit bei einer Auslegungsdauer von zehn Jahren eine Lebensdauer von nur 2.5 Jahren.

Frage 2: Welcher ESR-Wert gehört in die Verlustberechnung?

Verwenden Sie den ESR-Wert bei jeder Frequenz im aktuellen Spektrum und summieren Sie anschließend I_k² · ESR_k. Ein einzelner Datenblattwert, gemessen bei 1 kHz, unterschätzt die Verluste deutlich. Bei einem Bauteil mit 1000 pF beträgt der ESR-Wert 8.2 mΩ bei 100 kHz und 18.5 mΩ bei 10 MHz. Daher verursacht eine Spannungsspitze bei 10 MHz etwa den fünffachen Verlust, der sich aus dem Wert bei 100 kHz ergibt.

Frage 3: Warum steigt der Verlust nach einer Aufwärmphase?

Wärme erhöht den Verlustfaktor des Dielektrikums und den Widerstand des Metalls, wodurch der ESR-Wert steigt. Der höhere ESR-Wert erhöht die Verluste, und die zusätzlichen Verluste führen zu einem weiteren Temperaturanstieg. Dieser Rückkopplungseffekt ist der Grund, warum ein Bauteil bei 25 °C als fehlerfrei gilt, bei 60 °C Umgebungstemperatur jedoch versagt. Bauteile der Klasse I weisen einen Verlustfaktor von 0.001 oder darunter im Temperaturbereich von 25 °C bis 125 °C auf, wodurch die Hystereseschleife flacher wird.

Frage 4: Reicht ein Kühlkörper allein aus, um ein überhitztes Bauteil zu reparieren?

Es hilft, funktioniert aber erst, nachdem die Verluste reduziert wurden. Ein Verlust von 2.8 W durch eine Montage mit 80 °C/W führt zu einem Temperaturanstieg von 224 °C, den kein praktikabler Kühlkörper aufnehmen kann. Reduzieren Sie die Verluste zunächst, indem Sie die SRF erhöhen, den Strom pro Körper verringern oder ein verlustärmeres Dielektrikum wählen. Anschließend können Sie die verbleibenden Verluste mithilfe der Montage eliminieren.

F5: Wie überprüfe ich die thermische Reserve auf dem Prüfstand?

Führen Sie den Testlauf 30 Minuten lang im ungünstigsten Fall durch und erstellen Sie ein Infrarotbild. Vergleichen Sie den gemessenen Temperaturanstieg mit P_loss · θ_JA. Weichen die beiden Werte um mehr als 10 % voneinander ab, ist das thermische Modell fehlerhaft, und Layout-Parasitäreffekte sind üblicherweise die Ursache. Protokollieren Sie die Gehäusetemperatur während des gesamten Testlaufs, sodass die Aufzeichnung sowohl die Aufwärmphase als auch den Endwert umfasst.

Frage 6: Ist eine Temperaturüberwachung vor Ort notwendig?

Für alle Komponenten im kritischen Pfad gilt: Ja. Ein NTC-Thermistor innerhalb von 5 mm vom Gehäuse ist kostengünstig und liefert der Firmware einen präzisen Eingangswert. Stellen Sie den Alarm auf 90 °C ein, reduzieren Sie die Leistung darüber und schalten Sie die HF-Stufe ab, wenn die Temperatur weiter steigt. Notieren Sie den Wert im Serviceprotokoll, damit ein zurückgesendetes Gerät die Daten enthält.

7. Referenzen

1. IEC 60601-1:2005+AMD1:2012, Medizinische elektrische Geräte – Teil 1: Allgemeine Anforderungen an die grundlegende Sicherheit und die wesentlichen LeistungsmerkmaleGenf: IEC, 2012.
2. IEC 60601-2-2:2017, Medizinische elektrische Geräte – Teil 2-2: Besondere Anforderungen an die grundlegende Sicherheit und die wesentlichen Leistungsmerkmale von Hochfrequenz-ChirurgiegerätenGenf: IEC, 2017.
3. IEC 60384-8, Festkondensatoren für elektronische Geräte – Teil 8: Festkondensatoren mit keramischem Dielektrikum, Klasse 1Genf: IEC, 2015.
4. IEC 60270, Hochspannungsprüfverfahren — TeilentladungsmessungenGenf: IEC, 2015.
5. Erickson, RW, und Maksimović, D., Grundlagen der Leistungselektronik, 3. Aufl. Cham: Springer, 2020.
6. Mohan, N., Undeland, TM, und Robbins, WP, Leistungselektronik: Wandler, Anwendungen und Design, 3. Aufl. Hoboken, NJ: Wiley, 2003.
7. B. Wang, J. Meng und P. Zhao, Alterungszustandsüberwachung für Aluminium-Elektrolytkondensatoren in drehzahlvariablen AntriebenIEEE Transactions on Power Electronics, Band 37, Nr. 4, S. 4564–4574, 2022. https://doi.org/10.1109/tpel.2021.3121813
8. US 8,570,711, Mehrschichtige elektronische Keramikkomponente (Lichtbogenunterdrückung für 1–5 kV MLCCs), Samsung Electro-Mechanics Co., Ltd., erteilt 2013, https://www.freepatentsonline.com/8570711.html .
9. MIL-PRF-49470 Rev. D, Festkondensator, Keramikdielektrikum, Schaltnetzteil (Allzweck und temperaturstabil), Standardzuverlässigkeit und hohe Zuverlässigkeit, Allgemeine Spezifikation fürColumbus, OH: DLA Land and Maritime, 2017.
10. IEC 60384-1:2021, Festkondensatoren für den Einsatz in elektronischen Geräten – Teil 1: Allgemeine Spezifikation, Ed. 6.0. Genf: Internationale Elektrotechnische Kommission, 2021.
11. HVC-Anwendungsentwicklungsteam Hochspannungs-Keramikkondensator Technische Ressourcen, https://www.hv-caps.com