Hallo,
ich bin gerade dabei einen kleinen einphasigen Wechselrichter für mein
Auto zu bauen. Die Ausgangsleistung beträgt in der ersten Version nur 20
Watt.
Die Größe soll in etwa 70 mm x 60 mm x 40 mm (L x B x H) betragen.
Die Zwischenkreisspannung wird mit einem
Vollbrücken-Gegentaktflusswandler erzeugt und nachher mit einer
Halbbrücke in 230 VAC umgewandelt.
Da ich mir persönlich wünsche, dass das Teil auch noch in einer Höhe von
4000 Meter funktioniert, habe ich mal in die IEC60664 reingeschaut und
gesehen, dass für die Höhe ganz schöne Korrekturfaktoren für Luft- und
Kriechstrecken von Faktor 2 vorkommen. Auch der Einfluss von den
Frequenzen ist bei den Isolatoren anscheinend nicht zu verachten.
Bisher habe ich bei alten Projekten immer die HV-Komponenten auf der
Oberseite positioniert und die LV-Komponenten z.B. zur Ansteuerung auf
der Unterseite.
Dieses Mal werde ich aber aufgrund des geringen Platzes Hoch- und
Niederspannungskomponenten auf der selben Seite platzieren müssen und
sehr wahrscheinlich Signalleitungen einen Layer unterhalb von
HV-Leitungen und Flächen führen müssen.
Wie viel Abstand würdet ihr zwischen HV- und LV-Lage bei FR4 lassen?
Welches Platinenmaterial würdet ihr mir empfehlen?
Viele Grüße
Hans
Hans schrieb:> ...Signalleitungen einen Layer unterhalb von> HV-Leitungen und Flächen führen...
Würde ich nicht riskieren
> Wie viel Abstand würdet ihr zwischen HV- und LV-Lage bei FR4 lassen?
weil bei 4 Lagen nur der Kern massives FR4 ist und die Isolation
zwischen Lage 1 und 2 fast beliebig dünn und ungleichmäßig sein kann,
angeblich bis hin zu Luftblasen.
> Welches Platinenmaterial würdet ihr mir empfehlen?
Vielleicht kein anderes Material, soo hochfrequent arbeitet das Gerät ja
doch nicht, aber einen definierten Lagenaufbau. Ein dünnerer Kern und
mehr Prepreg ist aber Glaubenssache. Vielleicht baut jemand
Kupfer-Kern-Kupfer-Prepreg-Kupfer-Kern-Kupfer. Aber für Einzelstücke?
Bei Multi-CB habe ich mal eine Leiterkarte angefragt, mit der Bitte(!),
einen von mir vorgegebenen Lagenaufbau einzuhalten. Die schreiben auf
ihrer Webseite ja, welche Materialien sie verwenden.
Letztendlich habe ich natürlich keine Bestätigung dafür bekommen (war ja
kein direkter Teil des Angebots und ich habe dafür nichts extra
bezahlt), ob der Lagenaufbau tatsächlich gestimmt hat, aber zumindest
die Dicke der Leiterkarte hat am Ende gepasst. Es war übrigens eine
sechslagige Platine.
Bauform B. schrieb:> die Isolation> zwischen Lage 1 und 2 fast beliebig dünn und ungleichmäßig sein kann,> angeblich bis hin zu Luftblasen.
Das ist bei einem seriösen Hersteller nicht nur Unsinn, sondern ein
bösartige Unterstellung. Schon garnicht dürfen sie beliebig dünn sein,
das legt ja der Layouter fest und nicht der Hersteller.
Georg
Bauform B. schrieb:> weil bei 4 Lagen nur der Kern massives FR4 ist und die Isolation> zwischen Lage 1 und 2 fast beliebig dünn und ungleichmäßig sein kann,> angeblich bis hin zu Luftblasen.
Da steckt schon viel wahres drin. Prinzipiell ist bei dem ganz normalen
4-Lagen ML ein Laminatkern, d.h. eine fertige, nur dünnere, FR4 Platine,
die Schon strukturiert ist, darauf kommen mindestens 2 Lagen Prepreg
(Nach IPC Norm) Prepreg ist eine Glasfasermatte, gewebt, aus Kett- und
Schussfäden) welches mit einem Epoxydharz getränkt ist. Dieses Harz ist
getrocknet, aber noch nicht ausgehärtet. So, da das ein Gewebe ist, kann
sich da natürlich auch mal was verschieben, ab und an kommt es auch vor,
dass es Einschlüsse gibt (Insekten z.B.) an solchen Stellen hast du dann
natürlich nicht die Datenblattlich zugesicherten Eigenschaften. Um das
etwas zu kompensieren fordert die IPC, dass mindestens 2 Prepreg Lagen
zwischen 2 Kupferlagen sind. Man geht einfach davon aus, dass sich 2
Fehlstellen nicht an einer Stelle bündeln. bzw. ist die
Wahrscheinlichkeit dafür doch so gering, dass es akzeptabel wird. Man
kann natürlich, um Sicher zu gehen, auch 3 Prepreg Lagen nehmen, je
dicker, desto besser.
Aber: das alles ist in der Theorie gut, und wird normalerweise auch
funktionieren. Wenn du das für dich selbst baust, ist das auch gar kein
Problem. Schwieriger wird es, wenn du das auch verkaufen willst. Ich
kenne mich mit der Hausgerätenorm nicht gut genug aus, aber die EN60601
für Medizingeräte verlangt einen durchgehenden Graben. Da darf kein
Kupferfitzelchen drin sein. Auch nicht auf Innenlagen. jedenfalls nicht
bei Sicherheitsrelevanten Isolationsstrecken.
Du musst ja auch den Fall bedenken, dass etwas schief geht. Wenn z.B.
ein, aus welchen Gründen auch immer, sehr viel höherer Strom fließt als
eigentlich geplant wird das deine Leiterbahn sehr deutlich erwärmen.
Irgendwann Carboniert dabei dann das Epoxydharz. In dem Moment hast du
sofort eine massive Verringerung deiner Abstände, da dann nämlich das
FR4 Elektrisch leitfähig wird. Das senkt dann zwar die Temperatur des
Leiterzuges, aber ein isolationsabstand ist dann nicht mehr gegeben, im
schlimmsten Fall. Man muss also bei solchen Betrachtungen auch und immer
den Fehlerfall mit berücksichtigen. Nun kannst du sagen: ok, für die 30W
lege ich meine Leiterbahn so aus, dass ich bei 1A Stromfluss maximal auf
20°C Temperaturerhöhung komme und schütze den Leiterzug mit einer 0.5A
mt Sicherung. Damit sollte das beschriebene Szenario nicht mehr
eintreten können. Je nachdem, was in der zuständigen Norm steht, kann es
aber dennoch nicht erlaubt sein. Klar, du kannst natürlich auch von der
Norm abweichen, ist ja kein Gesetz. Allerdings musst du dann zumindest
nachweisen, dass du dir ausreichend Gedanken gemacht hast, das Risiko
für den Anwender dennoch so gering wie möglich zu halten.
Georg schrieb:> das legt ja der Layouter fest und nicht der Hersteller.
Hängt davon ab was Du bereit bist zu bezahlen.
Ich bin immer gut damit gefahren genau den Lagenaufbau zu verwenden den
der Hersteller vorgibt und mit dem er sich auskennt.
Bei Pool Lieferanten hat man eh nicht die Wahl.
Bauform B. schrieb:> Würde ich nicht riskieren
Es dürfte schwer sein einen festen Isolator zu finden der weniger als
1KV isolieren kann. Also ja, ich würde das jederzeit so machen.
@TO:
Was gefällt Dir an den unzähligen Wechselrichtern nicht die man billig
kaufen kann?
Wenn Du Dir unsicher bist, lackiere das ganze mit Polyurethan. Dann ist
das auch gegen Feuchtigkkeit und Schmutz ganz gut geschützt.
Hallo Hans,
welche Luft- und Kriechstrecken definiert die von dir zugrunde gelegte
EN60664?
LV und HV würde ich nicht "gegenüberliegend" routen, warum? Weil dir die
Wechselspannung der HV mit Sicherheit "übersprechen" wird. Das könntest
du primär nur durch eine Schirmlage in Layer 2 oder 3 zumindest
verringern. Ich würde es versuchen zu umgehen. Egal wie rum, du koppelst
kapazitiv ein.
Gegen FR4 spricht sicher nichts, ob ggf. High Performance Materialen
oder gar Keramik Träger Vorteile bringen, denke ich nicht. Hier sind
sicherlich deine erwarteten Frequenzen nicht unerheblich bei der
Betrachtung. Was ich dir mit Sicherheit sagen kann, das die 35...50 kV
Spannungsfestigkeit pro mm bei FR4 sehr mit Vorsicht zu genießen sind.
Wenn du dauerhaft hohe Spannungen und Temperaturen hast, wirst du u.a.
mindest. an Grenzflächen mit bzw. durch Potentialunterschiede(n),
Ladungsträgerverschiebungen haben. Wenn diese dauerhaft d.h. also im
Normalbetrieb auftreten, wird sich die Isolationseigenschaft dauerhaft
verschlechtern. Ganz wichtig, bereits im Layout Tool solltest du deine
Design Roules Lagenübergreifend zwecks DRC korrekt einstellen. Ein
definierter Lagenaufbau ist ganz wichtig. Prepregs "dünn", aus Luft oder
undefiniert gehen überhaupt nicht. Dein Roh-Lp Hersteller benötigt
einen definierten Lagenaufbau und dieser ist aus genannten Gründen
wichtig. Was teilweise zwecks Kriechstreckenerhöhung in der Praxis
gemacht wird, sind z.B. Schlitze. Bedenke auch grundsätzlich, dass
potentialfreie jedoch Teile wie z.B. Schraube, Scheiben, Muttern,
Frontplatten etc...als potentialführend zu betrachtet sind wenn diese
zwischen Potentialen liegen. Diese also entsprechend ihren Abmaßen die
Luft-/ Kriechstrecken verringern. Das wurde und wird von selbst vielen
sogenannten Fachkräften regelmäßig missachtet. Immer mehr Normen nehmen
diese fachliche Unfähigkeit zwecks deren Kompensationen in ihren
Normentext bzw. als Hinweis mit auf. Bitte nicht mit solchen Geigel:
"Was des Entwicklers Hirn nicht ziert" wird mit Coating zugeschmiert
anfangen. Coating ein Mittel um ggf. Verschmutzungsgrade, PD1...PDx zu
beeinflussen.
Viel Erfolg und Grüße
Oli
Oli schrieb:> Was teilweise zwecks Kriechstreckenerhöhung in der Praxis> gemacht wird, sind z.B. Schlitze.
Prinzipiell richtig, hat aber in der Praxis einen großen Pferdefuss, der
die Anwendung auf sehr vielen Platinen, die ich schon gesehen habe, ad
absurdum führt.
Das Problem ist nämlich, dass man Schlitze in der Regel dort hin macht,
wo man eine sehr enge Stelle hat, die man nicht ohne weiteres
verbreitern kann. Wo hat man sowas normalerweise? Im Regelfall z.B.
unter einem Optokoppler für die Rückmeldung / Steuerung oder unter dem
Trafo. So. Das Problem dabei ist: Diese Bauteile haben auch ein Gehäuse.
Alle Abstände zwischen Pins und Gehäuse müssen mindestens 0,8mm sein.
Sind sie kleiner kann man sie auf Null reduzieren. Wenn du dann den
Optokoppler über solch einem Schlitz montierst hast du die Kriechstrecke
am OK Gehäuse, dann ist der Schlitz auf der LP Vollkommen sinnlos. Das
"lustigste" was ich in der Form mal gesehen hab war ein TO264 Gehäuse,
dessen Pins im Wechsel gebogen waren und zwischen den Pins je eine
kleine Ausfräsung vorhanden war. Dass man am Gehäuse nur ca. 2,5mm
Abstand hat wurde hier komplett ignoriert. Das sind so die Momente, wo
man sieht, dass der Layouter nicht bis 3 gezählt hat.
Hallo Hans,
ich nochmal.
Bezüglich der geforderten Abstände, schaue bitte in die EN.
Üblicherweise steht in dieser oder einer verwiesenen Norm, meist in
Tabellenform, entsprechend zur Betriebsspannung die entsprechende
Bemessungsspannung und daraus die resultierende Luft- und
Kriechstrecken. Meist werden hierbei noch Abhängigkeiten zur Höhe (hast
du schon angesprochen), Verschmutzungsgrad und weiteren
Umgebungsbedingungen eingebracht.
Zu den Schlitzen noch ein Hinweis. Die entsprechend geometrische
Rückstellung von Innenlagen zum Schlitz nicht vergessen, da diese sonst
im Schlitz (da offen) als Kriechstrecke (Lagenübergreifend) agieren und
nicht mehr die Isolation des Basismaterials selbst.
Grüße
Oli
AFAIK: Beim PCB Aufbau kannst du einen Kern als (sicherheitsrelevante)
Isolationsstrecke nehmen. 0,4mm reichen sogar zur Trennung von 230V und
Schutzkleinspannung (auch AFAIK). Aber ein Prepreg, auch zwei Layer
Prepreg, zählen gar nichts für sicherheitsrelevante Isolationsstrecken.
Die kann man also nur als Funktions-Isolation nehmen (d.h. ein
Durchbruch der Isolation hat nur Einfluß auf die korrekte Funktion,
nicht auf die Sicherheit).
asd schrieb:> Funktions-Isolation
Da in diesem Fall von 12VDC auf 230VAC gewandelt wird und die 230 bei
einer Funktionsstörung zusammenbrechen, reicht m.E. Funktionsisolierung
aus.
Ohnehin liegt hier ein 12V Inselsystem vor, bei dem ich nicht mit
Überspannung aus dem Netz (Schaltfehler, Blitz, etc.) rechnen muss.
Ich frage mich ob man da überhaupt die EN60664 anwendet oder den
Wechselrichter nicht wie z.B. eine Zündspule betrachten kann.
Eine potentiel gefährliche Spannung, die nicht potentialgetrennt ist und
mit dem Rückleiter auf Chassis Potential liegt.
Im Fall des Wechselrichters also etwas in der Art wie ein TN-C Netz.
PEN + Phase.
Hallo,
schon einmal vielen Dank für die ganzen sehr hilfreichen Antworten.
Ich frage mich hauptsächlich 2 Dinge. Ich finde auch die
Medizinzulassung ein sehr gutes Beispiel. Ich frage mich, wie genau das
mit dem Graben gelöst wird.
1)
Wenn man den Kern als verbesserte Isolationsbarriere nimmt hat man ja
immer noch das Problem, dass an irgendeiner Stelle z.B. bei der
Gateansteuerung bei einer Halbbrücke nur über den Abstand und
Lötstopplack getrennt sind. Der Abstand ist vom Bauteil vorgegeben und
daher meistens sehr klein.
Werden die Leitungen in so einem Fall über Vias erst direkt unterhalb
der benötigten Stelle durchgeführt, um die Fläche möglichst klein zu
halten?
2)
Wenn man sich die vielen z.B. Hochspannungstransistoren anschaut, findet
man immer wieder Gehäuseformen mit einem Pinabstand der deutlich
geringer ist als der eigentlich laut Norm vorgeschriebene Wert.
Wie kann man den Einsatz von sowas bei größeren Höhen dann
rechtfertigen?
Ein gutes Beispiel sind die DFN8-Gehäuse von Infineon, EPC-GaNs oder
SiC-MOSFETs im TO263-7 Gehäuse.
Werden dort wirklich Teile aus der Platine ausgefräst, um den
Kriechabstand zu erhöhen?
Vergießen hilft ja meines Erachtens nur gegen die Luftstrecke?
Viele Grüße
Hans
Wenn hier ernsthaft damit gerechnet wird dass in den
Multilayer-Innenlagen Insekten verpresst werden frage ich mich schon wo
so etwas gefertigt wird. Da hätte ich auf keinen Fall genug Zutrauen für
LP die in 4000m Höhe zuverlässig isolieren sollen.
Ich bin mir sehr sicher dass das bei unseren ML-Fertigungen nie
vorgekommen ist. Es ist auch nach Jahrzehnten das erste mal dass ich von
so etwas höre.
Georg
> Pinabstand der deutlich> geringer ist als der eigentlich laut Norm vorgeschriebene Wert.
Bei den Transistoren braucht man ja nur den Abstand der als
Funktionsisolierung in der Norm steht. Das ist sehr viel weniger als für
sicherheitsrelevate Isolationsstrecke (measure of protection)
Ja, und bei einigen TO-220 Gehäusen frage ich mich wie sich das der
Hersteller mit den Kriechstrecken vorstellt...
> Da in diesem Fall von 12VDC auf 230VAC gewandelt wird und die 230 bei> einer Funktionsstörung zusammenbrechen, reicht m.E. Funktionsisolierung> aus.> Ohnehin liegt hier ein 12V Inselsystem vor, bei dem ich nicht mit> Überspannung aus dem Netz
In dieser Situation kannst du folgendermaßen Denken:
Innerhalb des Bereichs mit den 230V brauchst du nur Funktionsisolierung,
denn es kann dem Anwender nichts passieren wenn so eine Isolierung
zusammenbricht (außer dass das Gerät dann nicht mehr geht)
Zwischen den 230V und den 12V brauchst du Schutzisolierung (MOP =
measure of protection) weil der 12V Teil und alles was vorne dran hängt
(Batterie, etc) vermutlich nicht durchgehend gegen Berühren geschützt
ist (und du das auch nicht machen willst weil das aufwändig ist).
Deswegen wäre es ein Sicherheitsrisiko für den Anwender wenn so eine
Isolierstrecke durchbricht. In der Praxis sind bei einer Isolierstrecke
die eine "MOP" sein muss bei gleicher Spannungsfestigkeit die Luft- und
Kriechstrecken höher und bei der Platine zählt ein Prepreg nicht als
MOP-Isolierung, nur ein Kern zählt (aber 0,4mm reichen schon).
> Wenn man den Kern als verbesserte Isolationsbarriere nimmt hat man ja> immer noch das Problem, dass an irgendeiner Stelle z.B. bei der> Gateansteuerung bei einer Halbbrücke nur über den Abstand und> Lötstopplack getrennt sind. Der Abstand ist vom Bauteil vorgegeben und> daher meistens sehr klein.
Die Isolation vom Gate zum Drain ist sowieso immer nur eine
Funktionsisolierung. Wenn du eine Schutzisolierung (MOP) brauchst (weil
der Eingang 12V hat und an der 12V-Verdrahtung nicht gegen Berühren
geschützt ist), dann muss das der Gate-Treiber übernehmen. Es gibt
genügend mit 5kV Isolierspannung und 4-6mm Kriechstrecke.
asd schrieb:> Es kann sein dass das Problem heutzutage weniger Auftritt.
Ich glaube nicht dass Insekten in Multilayern ein ernstes Problem sind,
aber wer weiss, wenn wir der Evolution genügend Zeit lassen und für die
Borkenkäfer keine Bäume mehr da sind bringt sie Käfer hervor, die ihre
Eier auf Leiterplatten ablegen und deren Larven sich durch die
Innenlagen fressen.
Georg
Georg schrieb:> Ich bin mir sehr sicher dass das bei unseren ML-Fertigungen nie> vorgekommen ist. Es ist auch nach Jahrzehnten das erste mal dass ich von> so etwas höre.
Ich hab sowas schon gesehen. Im Prepreg von Isola um genau zu sein. Die
Platine, welche den Einschluss beinhaltete hat es natürlich nicht bis
zum Kunden geschafft, aber geben tut es das. Ob in Fernonst auch so sehr
aussortiert wird kann ich nicht sagen...
Hans schrieb:> Werden dort wirklich Teile aus der Platine ausgefräst, um den> Kriechabstand zu erhöhen?
Wie ich schon schrieb funktioniert das nicht, wenn die Fräsung von einem
Bauteil überbrückt wird, esseidenn, dieses Bauteil ist entsprechend
ausgerüstet. Sowas gibt es bei manchen Trafos z.B. da sind die Pins
nochmal im Gehäuse mit entsprechenden Gräben versehen die mindestens 1mm
breit sind.
Hans schrieb:> Der Abstand ist vom Bauteil vorgegeben und> daher meistens sehr klein.> Werden die Leitungen in so einem Fall über Vias erst direkt unterhalb> der benötigten Stelle durchgeführt, um die Fläche möglichst klein zu> halten?
Prinzipiell werden die Leitungen halt auf den jeweiligen Inseln
verdrahtet, da gibt es keine Einschränkungen, man darf halt nicht in den
Graben gelangen.
Zur Platzierung selbst und der Bauteilwahl: Da gibt es nur 2 mögliche
Strategien: 1. das einfachste ist, man greift auf Bauteile zurück, die
den entsprechenden Abstand einhalten. Wenn das nicht funktioniert gibt
es wiederum 2 Möglichkeiten: die einfachere: man nutzt ein Bauteil 2 mal
hintereinander. Wenn ich z.B. einen Datenkoppler habe, der formal für
6kV Isolationsspannung ausgelegt ist, aber nur 6mm breit, wo ich 8
brauche laut EN60601, dann baue ich das Bauteil einfach 2 mal
hintereinander. Die Isolationsabstände kann man nämlich normgerecht auf
mehrere Gräben mit einer Insel dazwischen aufteilen (Hat dann aber 2
Nachteile: erstens muss ich 2 mal die teuren Koppler einsetzen und
brauche auch noch eine Hilfsspannung auf der Insel, was ebenfalls nur
mit teuren DC-DC Wandlern möglich ist). Das gilt aber nicht für die
Spannungen, ich kann so also keine 4kV Barriere sicherstellen wenn ich 2
Bauteile nutze, die für sich genommen nur 3kV aushalten.
Sollte dies auch nicht möglich sein, geht man nochmal in die Recherche
um 1. zu Verwirklichen oder man muss kreativ werden. Wenn das auch nicht
gelingt muss auf die Funktion verzichtet werden. So geschehen bei uns
lange Zeit mit dem USB Anschluss. Den haben wir erst jetzt in den
Geräten (für Kunden zugänglich) seit es den LTM2894 gibt, der die
benötigten Isolationsabstände mühelos einhält.
Christian B. schrieb:> Da gibt es nur 2 mögliche> Strategien:
Die dritte Strategie: man fragt hier im Forum. Da bekommt man umgehend
die Auskunft, dass die vorgeschriebenen Abstände nur was für Weicheier
sind und VDE und TÜV nur kleine private Vereine von Spinnern.
Falls doch mal was passiert kann man sich ja auf die fachlichen
Auskünfte hier berufen, am besten speichern und aufheben.
Georg
