Was treibt den Bedarf an Hochspannungsschaltungen an?
Obwohl der Markt für Elektrofahrzeuge (EV) noch relativ jung ist, hat er bereits eine beachtliche Marktdurchdringung und hohe Verkaufszahlen erreicht. Die Elektrifizierung befeuert zudem Debatten über die Zukunft des Individual- und öffentlichen Verkehrs. Laut Statista.com:
• Der weltweite Markt für Elektrofahrzeuge soll bis 2025 ein beeindruckendes Volumen von 784,2 Milliarden US-Dollar erreichen.
• Zwischen 2025 und 2029 wird ein durchschnittliches jährliches Wachstum von 6,01 % erwartet, sodass der Markt 2029 einen Wert von 990,4 Milliarden US-Dollar erreichen soll.
• Der Absatz von Elektrofahrzeugen wird 2029 voraussichtlich rund 17,36 Millionen Einheiten erreichen.
Aktuelle Busarchitekturen arbeiten typischerweise mit 400 V, doch es werden bereits 800-V-Bussysteme eingeführt, um die Leistung zu erhöhen und/oder den Stromverbrauch zu senken. Einige Automobilhersteller erwägen sogar noch höhere Spannungen, ebenso wie Hersteller von Nutzfahrzeugen und Fahrzeugen für den öffentlichen Nahverkehr. Auch Batteriesysteme mit Spannungen von über 1000 V werden entwickelt.
Andere aufstrebende Märkte treiben ebenfalls höhere Systemspannungen voran. Beispielsweise erfordert die Erzeugung erneuerbarer Energien aus Solaranlagen die Fähigkeit, hohe Spannungen bei Umwandlung, Übertragung und Speicherung zu handhaben. Auch die Medizin ist zunehmend auf Hochspannungs-Diagnostikgeräte wie CT-Scanner und Röntgengeräte angewiesen. Darüber hinaus benötigen traditionelle Hochspannungsanwendungen wie Kabelisolierung, Leiterplattenisolierung und Halbleitertester weiterhin hohe Betriebsspannungen.
Warum 500 V?
Die Grenze, ab der ein System als „Hochspannung“ gilt, erscheint etwas willkürlich. Gerätehersteller sind sich jedoch in der Regel einig, dass sie bei mindestens 400 V liegt. Warum gerade dieser Wert? Systeme, die mit 250 V AC – dem Industriestandard – betrieben werden, erreichen Spitzenspannungen von etwa 350 V. Hersteller modularer Schaltprodukte fordern häufig, dass alle Geräte mit über 500 V über eine Hardware-Verriegelung verfügen, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten. Bei diesen Spannungen ist eine Entstörschaltung erforderlich, und Hochspannungssteckverbinder sind generell empfehlenswert. Daher erscheint es sinnvoll, 500 V als „Hochspannung“ einzustufen.
Am anderen Ende des Spektrums können Reed-Relais (die, wie wir später noch genauer sehen werden, sehr gut für Hochspannungsschaltungen geeignet sind) Durchlassspannungen von bis zu 15 kV und in bestimmten Ausführungen sogar noch höher erreichen.
Vorteile modularer Testsysteme für Hochspannungsanwendungen:
Bevor wir uns mit Hochspannungsschaltungen befassen, ist es wichtig zu verstehen, warum die Wahl einer modularen Plattform auf Basis kommerziell verfügbarer Technologien und Standards die Kosten eines Testsystems senkt, die Entwicklungszeit verkürzt und ein System liefert, das exakt den Anforderungen der jeweiligen Anwendung entspricht. Ein solches System trägt auch zur Reduzierung der Testzeit bei, da Hardware und Software vollständig integriert und automatisiert werden können. Dies optimiert die Testprozesse und ermöglicht die parallele Durchführung mehrerer Tests.
PXI ist eine standardisierte Test-, Mess- und Steuerungsplattform, die auf einer offenen Architektur der PXI Systems Alliance (PXISA) basiert und von über 60 Anbietern unterstützt wird, die PXI-basierte Hardware- und Softwarelösungen herstellen, vertreiben und integrieren. Dank der Vielzahl an Anbietern mit kompatibler Ausrüstung können Systementwickler je nach Anwendungsanforderungen die am besten geeigneten Funktionsblöcke verschiedener Unternehmen auswählen, anstatt auf Produkte eines einzigen Anbieters beschränkt zu sein.
Die Verwendung einer standardisierten Architektur reduziert zudem den Zeitaufwand für die Konfiguration eines Testsystems für neue Produkte und Anforderungen. Dank der flexiblen und skalierbaren Natur von PXI-basierten Systemen – sowohl Hardware als auch Software – kann das modulare System mit zunehmender Systemkomplexität wachsen. Modulare Elemente lassen sich bedarfsgerecht hinzufügen, um Funktionalität oder Kapazität zu erweitern. So werden die Anfangsinvestitionen minimiert und der Wert des Systems erhalten, da es bei steigenden Testanforderungen nicht verschwendet wird. Ein
weiterer Vorteil: Testingenieure sind nicht auf vorkonfigurierte Systeme eines einzelnen Anbieters beschränkt. Solche Lösungen erfüllen oft nicht alle Systemanforderungen oder sind überdimensioniert und komplex, überschreiten die notwendige Kapazität und verursachen zusätzliche Kosten. Im Gegensatz dazu ist ein auf dem PXI-Standard basierendes Testsystem flexibel und gleichzeitig unkompliziert.
Sicherheit, Zuverlässigkeit und Wiederholgenauigkeit.
Zurück zum Thema Hochspannung: Sicherheit, Zuverlässigkeit und Wiederholgenauigkeit sind die drei grundlegenden Säulen, auf denen Hochspannungsschaltsysteme basieren müssen. Betrachten wir diese im Detail:
Sicherheit:
Bei Spannungen im Kilovoltbereich hat Sicherheit höchste Priorität. Daher sollten Hochspannungsschaltgeräte über eine funktionale Hardware-Verriegelung verfügen, die ihre Frontplattenausgänge isoliert und so die Deaktivierung aller Relais gewährleistet. Beispielsweise kann eine Hardware-Verriegelung an einem Türschalter ein Relais deaktivieren, wenn die Tür des Testsystemschranks geöffnet ist. Bei der Verwendung übereinander gestapelter Karten sind verschiedene Konfigurationen möglich: Mehrere Karten können miteinander verbunden werden, wobei eine die Hardware-Unterbrechungsleitung steuert, oder sie können separat installiert werden. Typischerweise wird hierfür ein Schalter an der Schranktür verwendet: Bei geöffneter Tür arbeiten die Karten im sicheren Modus, selbst bei einer angelegten Spannung von 5 kV. Ebenso schalten die Karten in den aktiven Modus, wenn die Tür geöffnet ist und der Bediener somit keine stromführenden Komponenten berühren kann, und das System kann normal verwendet werden.
Hochspannung bedeutet auch, dass parasitäre Elemente, Störungen und Spannungsspitzen schädlicher sind und potenziell Sicherheits- und Zuverlässigkeitsprobleme verursachen können. Daher sollte eine Entstörschaltung integriert sein. Wir werden dies im nächsten Abschnitt genauer erläutern.
Selbstverständlich müssen alle für Hochspannung ausgelegten Geräte internationalen Normen entsprechen, wie beispielsweise der IEC 62271-200 für Hochspannungsschaltanlagen.
Zuverlässigkeit.
Die Zuverlässigkeit von Hochspannungsschaltsystemen hängt von der Qualität und Auswahl der Komponenten ab. Der Schalter selbst ist das wichtigste Element; in der Regel handelt es sich dabei um ein Relais. Obwohl es verschiedene Relaisarten gibt, bieten Reed-Relais einige Vorteile, die sie ideal für Hochspannungsanwendungen machen.
Bei elektromechanischen Relais (EMR) sind die Kontakte nach außen offen. Dadurch können Staub und andere Partikel die Kontaktflächen verunreinigen und deren Funktion beeinträchtigen. Im Gegensatz dazu verfügen Reed-Relais über einen hermetisch abgedichteten Schalter, dessen Kontakte im Vakuum arbeiten. Daher unterliegen die Kontakte deutlich weniger Verschleiß und ihre Leistung ist stets höher. Darüber hinaus kann der Erfassungsabstand wesentlich kürzer sein als bei offenen EMR-Geräten. Und da sich die Kontakte in einem hermetisch abgedichteten Vakuum befinden, beeinträchtigt die bei hohen Spannungen auftretende Ionisation die Funktion des Reed-Schalters nicht.
Abbildung 2. Elektromechanisches Relais.
Abbildung 2b: Hochspannungs-Reed-Relais
Hochspannungs-Reed-Relais weisen eine Schaltgeschwindigkeit von 0,5–1 Millisekunde auf und sind damit deutlich schneller als EMR-Relais mit 3 Millisekunden. Da Reed-Relais außer kleinen Kommutierungskontakten keine beweglichen Teile enthalten, ist ihr mechanischer Verschleiß gering. Bei sachgemäßer Anwendung und Einhaltung der spezifizierten Parameter erreichen Reed-Relais eine Lebensdauer von über einer Milliarde Schaltvorgängen (abhängig von der Last). EMR-Relais hingegen haben eine Lebensdauer von nur etwa 10 Millionen Schaltvorgängen.
Es gibt selbstverständlich viele verschiedene Arten von Reed-Relais für Hochspannungsanwendungen; im Allgemeinen gilt: Je höher die Spannung, desto größer das Bauteil. Reed-Relais mit einer Durchbruchspannung (Gleich- oder Wechselstromspitze) von 1500 V können sehr kompakt sein und beispielsweise nur 12,5 x 3,7 x 6,6 mm messen. Hochwertige Reed-Relais für diese Spannungsbereiche verfügen über Ruthenium-Pulverkontakte, die eine hervorragende Leistung bei niedrigen Strömen gewährleisten. Reed-Relais zeichnen sich durch Durchbruchspannungen bis zu 15 kV aus. Diese größeren Geräte verfügen über wolframbeschichtete Kontakte, die eine hohe Beständigkeit gegenüber der durch Hochleistungsschaltungen entstehenden Wärme bieten.
Mehrere Faktoren beeinflussen die Leistung und Lebensdauer des Relais. Für optimale Ergebnisse ist Kaltschalten stets vorzuziehen, d. h. das Schalten der Relaiskontakte ohne angelegte Spannung. Ist Heißschalten erforderlich, muss unbedingt sichergestellt werden, dass das Produkt aus Spannung und Strom am Schalter die maximal spezifizierte Schaltleistung des Relais nicht überschreitet. Heißschalten beeinträchtigt die Lebensdauer des Relais und reduziert seine Durchbruchspannung, da bei der Alterung der Beschichtung Lichtbögen entstehen. Daher geben die Datenblätter von Schaltmodulen eine reduzierte Betriebsspannung von bis zu
40–50 % beim Heißschalten an.
Selbst wenn keine Spannung an die Relaiskontakte angelegt wird, kann das Schalten nicht als „kalt“ gelten. Die Hauptursache für Ausfälle von Hochspannungsrelais ist eine fehlerhafte Berechnung der Kapazität im Stromkreis.
Abbildung 3. Transiente Kapazität im Schalter und Schaltplan.
Betrachten wir Abbildung 3. Ist im Stromkreis eine Kapazität vorhanden, kann sich diese bei Anlegen einer hohen Spannung ändern. Befindet sich die Kapazität im Schalter ohne begrenzende Last, entlädt sie sich beim Schließen des Schalters schlagartig. Viele Hochspannungsanwendungen nutzen Kondensatoren zur Spannungsspeicherung. Selbst Kondensatoren mit relativ niedrigen Spannungen können beim Schließen des Schalters transiente Ströme im Bereich von mehreren zehn Ampere verursachen, die die Relaiskontakte erheblich beschädigen können. Daher ist es notwendig, die Eigenschaften der Kapazität im Stromkreis zu berücksichtigen und einen Schutz gegen Entladungen einzubauen. Dieses Thema wird in Pickerings „Short Technical Guide to Reed Relays“ ausführlich behandelt.
Hersteller klassifizieren Relais nach bestimmten Leistungsstufen. Insbesondere bei Bauteilen mit Spannungen über 10 kV ist es jedoch nicht ratsam, das Gerät an seinen Leistungsgrenzen zu betreiben. Im Neuzustand entspricht die Leistung des Geräts den Spezifikationen, aber im Laufe der Lebensdauer, insbesondere bei häufigem Schalten unter Spannung, können Lichtbögen und Metallisierung zwischen den Kontakten auftreten. Dies kann zu einer Ablagerung an einem Kontakt führen und dadurch den Kontaktabstand verringern, was wiederum die Durchschlagspannung beeinflusst. Wird in den Betriebsspezifikationen eine Toleranz von mindestens 10 % zugelassen, arbeitet das Relais über seine gesamte Lebensdauer zuverlässig.
Ein weiterer Vorteil von Reed-Relais in Hochspannungsanwendungen ist ihr hoher Isolationswiderstand und die deutlich geringeren Leckströme im Nanoampere-Bereich, die um mehrere Größenordnungen niedriger sind als die von Halbleiterrelais (SSRs). Der hohe Leckstrom von SSRs kann die Messung von Stromwerten im Milliampere-Bereich erschweren.
Der Steckverbinder ist eine weitere kritische Komponente, die bei der Bewertung von Schaltprodukten für Hochspannungen besondere Beachtung erfordert. Typ-D-Steckverbinder für Hochspannungen bis 1000 V sind leicht erhältlich und kostengünstig. Für Anwendungen über 1000 V müssen jedoch spezielle Hochspannungssteckverbinder, wie beispielsweise die von Redel, verwendet werden. Diese Redel-Steckverbinder sind, entgegen der allgemeinen Annahme, kleiner als D-Steckverbinder, obwohl sie mit höheren Spannungen betrieben werden können. Sie verwenden eine Kunststoffisolierung und Lack im Inneren des Steckverbinders, um die notwendige Isolierung für den Umgang mit extrem hohen Spannungen zu gewährleisten.
Abbildung 4. Pickering PXI-Schaltmodul für 9 kV
Abbildung 4b: Entsprechender Redel-Hochspannungsstecker (rechts).
Ein weiterer wichtiger Faktor zur Erhöhung der Zuverlässigkeit und Minimierung der Auswirkungen von Spannungsspitzen, Transienten, Überströmen und Überspannungen auf modulare Schalttafeln ist der Einsatz von Überspannungsschutz. Bei hohen Spannungen können zwei Arten von Schutzschaltungen verwendet werden: eine zum Schutz der Spule, die bei ausreichend großem Relais im Relaisgehäuse integriert werden kann, und zusätzliche Schutzvorrichtungen auf den LXI/PXI-Platinen, um die Relaiskontakte vor Schäden durch Spannungsspitzen zu schützen.
Wiederholbarkeit:
Bewährte Verfahren tragen dazu bei, dass Testergebnisse präzise und reproduzierbar sind. Beispielsweise ist es unerlässlich, dass die Last möglichst rein ohmsch ist und keine schädlichen kapazitiven oder induktiven Elemente enthält. Beide können die Beschichtung der Relaiskontakte beschädigen und deren Leistung bis zum Ausfall beeinträchtigen. Daher müssen Spannungsspitzen, durch die Verkabelung erzeugte Induktivitäten und gespeicherte Kapazitäten vermieden werden, da diese selbst bei getrennter Stromversorgung der Platine zu Heißschaltungen führen können.
Auch Softwarefehler müssen vermieden werden. Automatische Signalrouting-Software kann die Steuerung von Timing und Routing der Signale in Schaltsystemen unter Berücksichtigung der Entladezeit unterstützen und so schwer erkennbare sequentielle Fehler und potenziell schädliche Signalverbindungen verhindern.
Selbstverständlich gibt es weitere Techniken zur Verbesserung der Messgenauigkeit. Die Reduzierung von Spannungspegeln auf handhabbare Werte mittels Spannungsteilern ist in der Industrie gängige Praxis, und Signalaufbereitungsverfahren können auch bei komplexeren Systemen eingesetzt werden.
Zusammenfassung:
Aufgrund des exponentiell steigenden Bedarfs, der primär durch Elektrofahrzeuge (EVs), aber auch durch erneuerbare Energiesysteme und neue Generationen medizinischer Geräte sowie traditionelle Hochspannungsanwendungen wie Halbleiter-, Leiterplatten- und Kabeltests getrieben wird, ist ein umfassendes Verständnis der Einflussfaktoren auf das Schalten von Hochspannung unerlässlich geworden. Sicherheit hat stets höchste Priorität, und Anbieter von Testsystemen integrieren in der Regel Hardware-Verriegelungsfunktionen in ihre Produkte. Zuverlässigkeit wird durch die Verwendung geeigneter, hochwertiger Komponenten und standardisierter Designprozesse gewährleistet. Reproduzierbarkeit lässt sich durch die Anwendung bewährter Verfahren in der Testprogrammierung erreichen. Die Durchbruchspannung ist ein wesentlicher Vorteil der Reed-Relais-Schalttechnologie in Hochspannungsanwendungen. Nur wenige Anwendungen schalten mit hohen Spannungen, wenn dies vermieden werden kann, und wenn doch, dann auf niedrigen Niveaus, um die Lebensdauer des Schalters zu schützen. Die hohe Durchbruchspannung und der niedrige Kontaktwiderstand machen Reed-Schalter in Anwendungen, deren Hauptfunktion die Stromübertragung ist, insbesondere für Stromimpulse, immer beliebter. Die Verwendung höherer Spannungen kann die Erzeugung von Strömen erleichtern, die von Änderungen des Schaltungswiderstands unbeeinflusst sind, und sauberere Impulse mit einer besseren Impulsform erzeugen.
