Aufrufe: 0 Autor: Fenhar Veröffentlichungszeit: 30.09.2026 Herkunft: Website
Die Teilentladung in SiC-Leistungsmodulen wird weniger von der Betriebstemperatur als vielmehr von der Schaltgeschwindigkeit bestimmt. SiC-Geräte schalten mit 20–100 kV/µs – eine Größenordnung schneller als IGBTs – und erzwingen Spannung über Mikrohohlräume und Kriechpfade, bevor sich die Isolierung entspannen kann, was eine Teilentladung auslöst. Die Qualifizierung der Isolierung gemäß IEC 60270 (PDIV/PDEV) ist jetzt obligatorisch und nicht mehr optional.
Bei einem Leistungsmodul ist die Isolierung keine passive Platte. Es ist die Barriere, die zwischen einem 1200-V-Siliziumkarbidchip und einem Kurzschluss zur Grundplatte steht, und es muss nicht nur Hitze, sondern auch die schnellsten Spannungsflanken in der Mainstream-Leistungselektronik überstehen. Dieser Leitfaden behandelt das Problem von der Physik der Teilentladung über die drei Stellen, an denen es innerhalb eines Moduls beginnt, bis hin zu einer praktischen Qualifikationscheckliste, die Sie in eine Zeichnung einfügen können.
Teilentladung (TE) wird in IEC 60270 als eine lokalisierte elektrische Entladung definiert, die die Isolierung zwischen Leitern nur teilweise überbrückt. Die Isolierung hält im Großen und Ganzen immer noch – es gibt keinen vollständigen Überschlag –, aber an einer kleinen Stelle hat das lokale Feld die Durchschlagsstärke einer Schwachstelle überschritten, und ein winziger, wiederholter Funke überspringt einen Teil der Lücke. Jedes Ereignis überträgt nur Picocoulomb an Ladung und dauert Nanosekunden, doch der kumulative Effekt ist es, der das Teil zerstört.
Die Parkinson-Krankheit ist gerade deshalb gefährlich, weil sie partiell und fortschreitend verläuft . Es löst keinen Schutzschalter aus und lässt keine Sicherung durchbrennen; es erodiert lautlos. Jede Entladung injiziert Wärme, ultraviolettes Licht und chemisch reaktive Spezies in das Polymer um sie herum, greift Molekülketten an und legt halbleitenden Kohlenstoff ab. Sobald sich diese Kohlenstoffspur gebildet hat, findet die nächste Entladung einen einfacheren Weg und der Prozess beschleunigt sich, bis ein vollständiger Durchschlag die Elektroden überbrückt. NFPA 70B nennt Isolationsschäden als häufigste Ursache für Stromausfälle und Teilentladungen als den führenden Frühindikator.
Es gibt drei PD-Familien, und ein Modul enthält sie alle:
Interne Entladung – in einem gasgefüllten Hohlraum oder einer Pore, eingeschlossen in einem festen Dielektrikum. Der Hohlraum hat eine geringere Spannungsfestigkeit als das umgebende Material, sodass sich das Feld zuerst dort konzentriert.
Oberflächenentladung – entlang einer Isolieroberfläche, normalerweise dort, wo Verunreinigungen, Feuchtigkeit oder ein unzureichender Kriechweg Strom zwischen den Elektroden fließen lassen.
Korona-/Kantenentladung – an scharfen Spitzen, Graten oder am Dreifachpunkt, wo Leiter, Isolierung und Luft aufeinandertreffen, wo allein die Geometrie das Feld konzentriert.
Die kurze Antwort ist Geschwindigkeit. Der einzige Parameter, der darüber entscheidet, ob eine schnelle Flanke PD zündet, ist dv/dt – die Spannungsanstiegsrate – und SiC arbeitet um eine Größenordnung über den IGBT hinaus, den es ersetzt.
| Spannungsparameter | IGBT-Modul (typisch) | SiC-Modul (typisch) | Warum es das PD-Risiko erhöht |
| Umschaltung dv/dt | 5–15 kV/µs | 20–100 kV/µs | Schnelle Kantenkräfte wirken über Hohlräume und Grenzflächen, bevor die Isolierung nachlässt |
| Schaltfrequenz | 2–20 kHz | 20–100+ kHz | Mehr Übergänge pro Sekunde → mehr PD-Ereignisse pro Zeiteinheit |
| Wellenform | Quasi-Sinus-PWM | scharfe unipolare PWM | Unipolare Wiederholung akkumuliert Raumladung an Grenzflächen |
| Blockdichte | mäßig | höher in kleinerer Packung | Engere Geometrie → höheres lokales Feld bei gleicher Spannung |
| Verbindungstemperatur/Umgebungstemperatur | bis ~150 °C | bis ~175–200 °C | Bei erhöhter Temperatur ist der Beginn der Parkinson-Krankheit einfacher |
Der Mechanismus ist nicht die stationäre Spannungsfestigkeit. Wenn eine Flanke von 20–100 kV/µs auftritt, steigt die Spannung über einem Hohlraum oder einer Grenzfläche schneller an, als die Polarisation des Materials folgen kann, sodass das momentane Feld lokal überschießt. Diese vorübergehende Feldverstärkung – verstärkt durch kapazitiven Verschiebungsstrom und schnelle Ladungsinjektion – kann einen Hohlraum in die Korona drücken, selbst wenn die Spitzenbusspannung unter dem unter einer langsamen Sinuswelle gemessenen Schwellenwert liegt. Unabhängige Messungen belegen dies: Unter einem 60-Hz-Sinus tritt PD oft erst bei etwa 7,6 kV auf, dennoch zeigt dieselbe Probe eine kontinuierliche Entladung, wenn sie von einer PWM-Wellenform bei etwa 2,7 kV RMS angetrieben wird. Die Spitzenspannung ist gesunken ; Der dv/dt stieg an , und das war es, was die Entladung auslöste.
SiC ändert auch die Buchhaltung. Ein in Betrieb befindliches Modul durchläuft Milliarden von Schaltzyklen, nicht einen einminütigen Hipot. Jeder Zyklus ist eine neue Gelegenheit für eine Mikroentladung, und der Schaden ist kumulativ: Kleine Ereignisse, die deutlich unterhalb einer herkömmlichen Pass/Fail-Schwelle liegen und sich mit hoher Frequenz wiederholen, verschleißen das Polymer langsam und formen das lokale Feld um, bis eine größere Entladung unvermeidlich wird. Die Wiederholungsrate, nicht nur die Größe, ist der Alterungstreiber.
Wenn man die Physik kennt, ist die nächste Frage architektonischer Natur: Wo beginnt physikalisch die Entladung? In einem modernen Modul gibt es drei wiederkehrende Orte, und jeder ist einem anderen Design-Fix zugeordnet.
Es gibt Einkapselungsmittel zum Schutz des Chips, aber jede beim Vergießen oder Aushärten des Gels eingeschlossene Luftblase ist ein fertiger Hohlraum. Die Durchschlagsfestigkeit der Blase beträgt nur einen Bruchteil des Epoxidharzes oder Gels um sie herum, sodass das Feld zuerst dort landet. Aus diesem Grund ist eine hohlraumfreie Verkapselung – Vakuumentgasung, kontrollierte Gelaushärtung, blasenfreie Abgabe – nicht kosmetisch; es ist Parkinson-Prävention. Ein Silikongel, das „Lücken füllen“ verspricht, hilft nur, wenn es tatsächlich keine eigenen Blasen enthält.
In einem Substrat mit direkt gebundenem Kupfer (DBC) oder aktiv metallgelötetem Substrat (AMB) ist die Keramik (Al₂O₃ oder AlN) ein hervorragendes, intrinsisch hohlraumfreies Dielektrikum – die Bindungen und die Schnittstelle zur Grundplatte sind es jedoch nicht. Eine Delaminierung, ein Kirkendall-Hohlraum an einer Verbindungslinie oder eine Nichtübereinstimmung der Permittivität zwischen benachbarten Schichten erzeugen eine Feldkonzentration genau an der Stelle, an der der Strom austreten soll. Interface PD ist am schwersten zu erkennen, da es unter der sichtbaren Oberfläche liegt.
Wenn ein Leiter das Modul verlässt und über eine isolierende Oberfläche verläuft – eine laminierte Sammelschiene, eine Gate-Treiber-Leiterplatte, ein geformter Anschlussblock –, wird die Oberfläche zu einer Rennbahn für Oberflächenentladungen, insbesondere wenn Verunreinigungen oder Feuchtigkeit eintreffen. Dies ist der Bereich der Kriech- und Luftstrecken sowie der Kriechstromfestigkeit.
Dies ist die häufigste Qualifikationslücke. Bei der AC-Dielektrizitätsfestigkeitsprüfung (Hipot) wird eine sich langsam ändernde Sinuswelle angewendet. Konstruktionsbedingt ist sein dv/dt selbst bei hoher Prüfspannung niedrig, so dass die Isolierung in dem Bereich bewertet wird, in dem die TE-Entstehung am höchsten ist. Ein Modul, das auf einem 50/60-Hz-HiPot völlig leise ist, kann beim Umschalten immer noch PD entwickeln.
Zwei Effekte verstärken den blinden Fleck. Erstens führen parasitäre Induktivitäten und Kapazitäten im Modul, im DC-Zwischenkreis und in der Gate-Schleife zu Überschwingungen und Überschwingungen bei jedem Übergang, wodurch die Spannung kurzzeitig über den Nennbus ansteigt und die Isolierung einer Belastung ausgesetzt wird, die bei der AC-Qualifikation nie angewendet wurde. Zweitens ist die PWM-Wellenform unipolar und repetitiv, sodass die Feldverteilung asymmetrisch ist und sich an Grenzflächen Raumladungen anhäufen – Bereiche, die unter Wechselstrom inaktiv blieben, leuchten beim Schalten auf. Die Schlussfolgerung ist eindeutig: Ein sauberer Hochdruckreiniger ist notwendig, aber nicht ausreichend. Für die PD-Qualifizierung ist eine Wellenform erforderlich, die so aussieht, wie das Modul sie tatsächlich sieht.
IEC 60270, „Hochspannungsprüftechniken – Teilentladungsmessungen“, ist das Rückgrat der Messung. Es definiert das Gerät – einen Kopplungskondensator und eine Messimpedanz parallel zum Testobjekt, kalibriert in Picocoulomb – und die Parameter, die wichtig sind:
Scheinbare Ladung (q) – der kalibrierte pC eines Entladungsereignisses.
PDIV – die Spannung an der Aufwärtsrampe, bei der die Entladung zum ersten Mal auftritt.
PDEV – die niedrigere Spannung an der Abwärtsrampe, bei der es stoppt.
Wiederholungsrate (n) und phasenaufgelöste Muster (PRPD) – die Aufschluss darüber geben, wo und welche Art von Entladung auftritt.
Das PDIV/PDEV-Paar ist das Herzstück der Qualifikation. PDEV liegt immer unter PDIV, und der gefährliche Fall ist, wenn PDEV unter die normale Betriebsspannung fällt: Dann läuft eine Entladung, die während eines Übergangs begonnen hat, bei normaler Spannung weiter und erodiert die Isolierung kontinuierlich, anstatt zu erlöschen. Ein Spielraum, bei dem PDEV über der ungünstigsten Betriebsspannung bleibt, ist das eigentliche Sicherheitsziel, nicht ein einziger Durchgang bei einer Prüfspannung.
Nicht jeder Hochspannungstest beantwortet die PD-Frage. Die folgende Tabelle sortiert die gängigen Methoden nach dem, was sie tatsächlich fangen.
| Testmethode | Was es fängt | Was es vermisst | Wann sollte man es verwenden? |
| AC-Dielektrikum / Hipot (IEC 60060, IEC 61800-5-1) |
Grobe Defekte, massiver dielektrischer Durchschlag, grobe Hohlräume | dv/dt-getriggertes PD; kleine, sich wiederholende Entladungen | Grundakzeptanz. Notwendig, nicht ausreichend. |
| Impuls-/Überspannungsfestigkeit (wiederholte Impulse, IEC 60060-1) |
Spitzenfestigkeit, Turn-to-Turn und Schichtspielraum | Feine PD-Details; Alterung mit Wiederholungsrate | Spitzenspannungsreserve gegen Überschwingen/Klingeln. |
| IEC 60270 PD-Messung (AC- oder PWM-Anregung) |
PDIV, PDEV, scheinbare Ladung, PRPD-Diagnose | Benötigt eine repräsentative Wellenform, um aussagekräftig zu sein | Kern-PD-Qualifikation. Fordern Sie PWM, nicht nur AC. |
| IEC 61934 PD unter Impulsen (wiederholte kurze Anstiegszeit) |
PD unter schaltähnlichem Stress; Wiederholungseffekte | Branchenübergreifend weniger standardisierte Akzeptanzgrenzen | Designqualifizierung für SiC / Schnellschaltbetrieb. |
Für Akzeptanzgrenzen gibt die Traktions- und Umrichterpraxis einen konkreten Anker: IEC 61287-1 (und EN 61287-1) nennt häufig verwendete Grenzwerte von 10 pC für eine Komponente und 50 pC für ein System . Hierbei handelt es sich um Ausgangspunkte, nicht um absolute Werte – eine Anwendung, die in großer Höhe oder bei hohen Temperaturen mit hohen dv/dt-Werten arbeitet, sollte sie verschärfen –, aber sie geben einem Spezifizierer eine Zahl an die Hand, die er notieren muss.
Sobald das Testregime stimmt, entscheidet die Materialauswahl über die Spanne. Die Tabelle ordnet die Materialien, über die ein Modulentwickler tatsächlich verfügt, nach ihrem Verhalten unter PD-Belastung.
| Material | PD-Widerstand | CTI (IEC 60112) | Aushilfsklasse | Typische Modulrolle |
| Glimmer / Glimmerband | Hervorragend (anorganisch, spursicher) | sehr hoch | bis Klasse H (180 °C)+ | Isolierung, Feuerschutz ausschalten |
| Nomex / Aramidpapier | Sehr gut | hoch | Klasse H (180 °C) | Phasen-/Schlitzisolierung, Barrieren |
| Polyimidfolie | Gut, dünn und hochtemperaturbeständig | mäßig–hoch | Klasse H (180 °C)+ | Gate-Treiber, Steuerungsisolation |
| Epoxidglaslaminat (FR-4 / G-10 / G-11) | Gut, wenn keine Hohlräume ausgehärtet sind | mäßig (CTI ~175–225) | Klasse B–F (130–155 °C) | Sammelschienenisolierung, Anschlussträger |
| Silikongel / RTV | Füllt Lücken; riskant, wenn es sprudelt | hoch (selbstheilende Oberfläche) | Klasse H (180 °C) | Die Kapselung |
| Keramiksubstrat (Al₂O₃ / AlN) | Hervorragend (hohlraumfreies Dielektrikum) | n/a (anorganisch) | sehr hoch | Dielektrikum auf DBC/AMB-Basis |
Die Tabelle verbirgt die wichtigste Regel: Der TE-Widerstand ist eine Systemeigenschaft , keine Materialeigenschaft. Ein Laminat mit hohem CTI, das mit einer scharfen Permittivitätsstufe und einer eingeschlossenen Luftleitung auf eine Folie mit niedrigem CTI gelegt wird, wird dennoch entladen. Eine lunkerfreie Imprägnierung – idealerweise Vakuum-Druckimprägnierung (VPI) – und eine saubere Verwaltung der Materialübergänge tragen mehr zur PD-Marge bei als der Austausch einer Sorte gegen eine andere. Der gemäß IEC 60112 gemessene CTI entscheidet dann darüber, wie lange eine Oberfläche überlebt, nachdem die PD begonnen hat: Eine spurenbeständige Qualität verschafft Zeit, bevor eine Oberflächenentladung zu einem dauerhaften leitfähigen Pfad wird.
Die meisten PDs werden entworfen, bevor sie getestet werden. Die günstigen Lösungen sind geometrisch und auf Prozessebene:
Bemessen Sie Kriech- und Luftstrecken gemäß IEC 60664-1 für den tatsächlichen Verschmutzungsgrad und die Überspannungskategorie und reduzieren Sie dann die SiC-Transienten, nicht den Nennbus.
Runden Sie alle Kanten an Leiterausgängen und Steuerringen ab; Beseitigen Sie Dreifachpunkte, an denen sich Leiter, Isolierung und Luft treffen.
Kontrollieren Sie Hohlräume mit VPI, Vakuumverkapselung und blasenfreiem Gel – dem Prozessschritt mit der größten Wirkung.
Verwalten Sie Permittivitätsübergänge mit spannungsausgleichenden Schichten, anstatt aneinander angrenzende Materialien mit sehr unterschiedlichen εᵣ.
Wärmebudget : Da der TE-Einsatz mit der Temperatur abnimmt, halten Sie die Isolierung kühler als ihre Klassengrenze, wo das Feld am höchsten ist.
Für einen Planer, der die Isolationsanforderungen für ein SiC-Leistungsmodul schreibt, sollte die Qualifikation etwa so lauten:
Geben Sie die Betriebsspannung und den maximalen du/dt an, den das Modul im Betrieb erreichen wird.
PDIV über dem Worst-Case-Schalttransienten erforderlich – üblicherweise 1,2- bis 1,5-fach der Spitzenüberschreitung, gemessen an einer repräsentativen PWM- oder sich wiederholenden Impulswellenform gemäß IEC 61934.
Erfordert einen PDEV über der normalen Betriebsspannung, sodass die Entladung nach Beendigung des Übergangs von selbst erlischt.
Legen Sie einen Scheinladungsgrenzwert fest (ein Ausgangspunkt: 10 pC-Komponente / 50 pC-System gemäß IEC 61287-1) und verschärfen Sie ihn für den Einsatz in Höhenlagen oder bei hohen Temperaturen.
Zeichnen Sie ein phasenaufgelöstes TE-Muster auf, nicht nur eine Pass/Fail-Nummer, damit Ort und Art der Entladung dokumentiert werden.
Führen Sie bei jeder Änderung des Materials, der Formmasse, des Bindungsprozesses oder der Laminatsorte eine erneute Qualifizierung durch – PD reagiert genau auf diese Variablen.
PDIV ist die Teilentladungs-Einsatzspannung – die angelegte Spannung, bei der die Entladungsaktivität erstmals auftritt. Dies ist der tatsächliche dielektrische Schwellenwert, den ein SiC-Modul im Betrieb erreicht, und dieser Schwellenwert ist unter dem schnellen, sich wiederholenden dv/dt des Schaltens weitaus niedriger als unter der langsamen 50/60-Hz-Sinuswelle, die für einen Hipot verwendet wird. Ein Modul kann einen sinusförmigen Hipot passieren, hat aber dennoch einen PWM-PDIV unterhalb seines eigenen Schalttransienten.
PDIV ist die Spannung an der Aufwärtsrampe, bei der die Entladung beginnt; PDEV (Auslöschungsspannung) ist die untere Spannung an der Abwärtsrampe, an der sie stoppt. PDEV liegt immer unter PDIV. Der gefährliche Fall liegt vor, wenn PDEV unter die normale Betriebsspannung fällt: Dann läuft die während eines Übergangs begonnene Entladung bei normaler Spannung weiter und erodiert die Isolierung kontinuierlich, anstatt sich selbst zu löschen.
Nein. Bei einem dielektrischen Widerstandstest mit 50/60 Hz wird eine sich langsam ändernde Sinuswelle angewendet, deren dv/dt von Natur aus niedrig ist, sodass die Isolierung in einem Bereich belastet wird, in dem die TE-Einstellung hoch ist. Das Schalten von SiC erzeugt Flanken von 20–100 kV/µs und eine unipolare, sich wiederholende PWM, die PD bei viel niedrigeren Spitzenspannungen auslöst. Ein Modul, das auf einem Hipot ruhig ist, kann im Feld überschlagen. Hipot ist eine notwendige Grundqualifikation, keine PD-Qualifikation.
Geschwindigkeit. IGBT-Module wechseln typischerweise bei 5–15 kV/µs; SiC-Module schalten üblicherweise mit 20–100 kV/µs. Diese schnellere Kante zwingt das elektrische Feld über Hohlräume, Materialschnittstellen und scharfe Kanten nach oben, bevor sich die Isolierung entspannen kann, wodurch TE gezündet wird, selbst wenn die Spitzenspannung unter dem sinusförmigen Anfangsniveau liegt. Wenn man Milliarden von sich wiederholenden Schaltzyklen und eine höhere Sperrspannungsdichte in kleineren Gehäusen hinzufügt, ist die kumulative PD-Belastung der SiC-Isolierung weitaus höher.
IEC 60270 ist die Grundlage für die Messung von Teilentladungen – scheinbare Ladung in Picocoulomb, PDIV, PDEV und phasenaufgelöste Muster –, ist jedoch auf Wechselstrom bis etwa 2000 Hz abgestimmt. Für die sich wiederholenden Impulse mit kurzer Anstiegszeit, die ein Leistungsmodul tatsächlich belasten, ist IEC 61934 (elektrische Messung der TE bei kurzen Anstiegszeiten und sich wiederholenden Spannungsimpulsen) die relevante Methode. Eine vollständige Qualifizierung nutzt beides: IEC 60270 für den Messrahmen und IEC 61934 für die schaltähnliche Anregung.
CTI, der vergleichende Kriechstromindex (gemessen gemäß IEC 60112), ist die Spannung, bei der sich unter einem kontaminierenden Tröpfchen eine leitfähige Kohlenstoffspur auf einer Materialoberfläche bildet. Ein hoher CTI bedeutet, dass die Oberfläche der Verfolgung widersteht, sobald PD begonnen hat, sie anzugreifen. Bei der Isolierung auf Kriechpfaden innerhalb eines Leistungsmoduls verschafft ein High-CTI-Typ (z. B. spurbeständige Laminate, Glimmer oder Aramid) Zeit, bevor sich eine Oberflächenentladung in einen dauerhaft leitfähigen Pfad verwandelt.
Die Lektion für jeden, der eine Isolierung um ein Siliziumkarbid-Modul spezifiziert, ist einfach: Hören Sie auf, sich allein auf die Hitze zu konzentrieren, und beginnen Sie mit der Qualifizierung der Geschwindigkeit. Der Ausfall, der ein SiC-Modul beendet, ist mindestens ebenso wahrscheinlich wie eine Teilentladung, die durch eine 20-100-kV/µs-Flanke ausgelöst wird, wie eine durch Temperatur ausgelöste Teilentladung – und ein 50/60-Hz-Hochspannungsgenerator erkennt dies nicht. Messen Sie PDIV und PDEV an einer repräsentativen dv/dt-Wellenform, halten Sie PDEV über der Betriebsspannung und betrachten Sie eine hohlraumfreie Konstruktion als Grundlage des gesamten Randes.
