Schwachpunkt Grenzflächen bei Hochvolt-Anwendungen

Mit der immer größeren Verbreitung der Hochvolttechnik in der E-Mobility entstehen auch neue Problemfelder, die Automobilbauer (OEM) und Zulieferer so bislang nicht kannten. Den bei Betriebsspannungen unter 100V (12VDC, 24VDC und 48VDC) treten Erscheinungen wie Gleitentladungen nicht auf. Doch ab 400VAC können Gleitentladungen (Partial Discharge) zu Problemen führen, die bislang im Automobilbau unbekannt waren.

Zu der hohen Belastung durch die elektrische Feldstärke kommen im Fahrzeug weitere wie Wärme, Vibration und Klimawechsel. Dies alles kann bei fehlerhafter Betrachtung der eingesetzten Isolierstoffe zu mittel- oder langfristigen Ausfällen führen. Insbesondere die Baugruppen DC/DC Wandler, Elektromotor und Batterieladeeinheit bzw. Frequenzumrichter für die Motoransteuerung sind betroffen.

Hintergrund: Meist betrachtet man die Spannungsfestigkeit eines Isolierstoffes im senkrecht auf dem Material stehenden elektrischen Feld. Allerdings kann sich an z.B. Durchführungen durch geerdete Gehäuseteile oder anderen abrupten Übergängen das elektrische Feld tangential, also  entlang der Oberfläche eines Isolationswerkstoffes, ausbilden. Diese Grenzfläche (Luft nur ~3kV/mm @DC bzw. ~0,35 kVeff/mm @AC) hat oft eine deutlich niedrigere elektrische Festigkeit, was sich auf den Isolationsstoff auswirken kann.

Luft ist der schlechtere Isolator

Diese geringere elektrische Festigkeit der Grenzfläche kann dazu führen, dass erheblich früher energiestarke Zündungen von Entladungen bilden. Diese führen zu Erodierungen der Isolierstoffoberfläche und schließlich zu deren Versagen. Die einfachste Maßnahme gegen das Entstehen von Leitpfaden ist natürlich, die Geometrie großzügig auszulegen. Denn Distanz vermeidet Gleitentladungen. Dies widerspricht allerdings heutigen Wünschen nach Kompaktheit.

Neben dem Einsatz von Werkstoffen, die gegen diese Art der Zerstörung durch Gleitentladungen beständiger sind (zum Beispiel guter cti-Wert oder hoher Gehalt an anorganischen Füllstoffen), kann man mit halbleitenden Produkten eine Feldsteuerung erreichen. Diese Feldsteuerung kann resistiv und/oder kapazitiv sein.

CMC Klebetechnik bietet für den „sanften“ Übergang und zur Lenkung des elektrischen Feldes halbleitende Produkte (z.B. Halbleiterkrepp) an, mit denen Gleitentladungen vermieden werden können. Alternativ können bei entsprechend kompakter Bauweise, in der kein Platz für halbleitende Beläge vorhanden sind, auch Isolationsklebebänder mit großer Teilentladungsfestigkeit eingesetzt werden. Dies sind z.B. Klebebänder aus dem Produktbereich CMC 27xxx, die mit einem cti-Wert=0 sehr gute Beständigkeit gegenüber der Ausbildung von Gleitentladungswegen haben. Oder man verwendet zum Beispiel Kapton® CR und Kapton® MT, die beide durch die Füllung mit anorganischen Stoffen eine erhöhte Coronabeständigkeit besitzen. Alternativ kann auch Kapton® FN verwendet werden, dessen Fluorpolymerbeschichtung die Teilentladungsfestigkeit signifikant erhöht.

Alle Produkte können einseitig selbstklebend geliefert werden. Auch Stanzteile und kundenindividuell zugeschnittene Rollen sind möglich. Selbst die Beschichtung von wärmeleitendem Kleber anstelle des üblichen PSA kann bei entsprechenden Mengen angeboten werden.


Die Gründe für einen elektrischen Durchschlag sind vielfältig und werden von unterschiedlichen Mechanismen gebildet. Bei höheren Spannungen (> 400V) trägt auch die Form der beiden Elektroden eine immer wichtigere Rolle. Spitze – Spitze Anordnungen konzentrieren Feldlinien stärker wie Platten oder Kugel-Anordnungen.

Thermischer Durchschlag

Es fängt mit einem kleinen Stromfluss durch eine lokale Schwachstelle im Dielektrikum an. Mit zunehmender Feldstärke (angelegte Spannung) steigt dieser Strom und produziert eine lokale Erwärmung. Diese beeinflusst das umliegende Dielektrikum, erzeugt atomare Fehlstellen und ionenbasierte Leitfähigkeit setzt ein, die zusätzlich die lokale Temperatur erhöht und schließlich zum Zusammenbruch der Isolation führt.

Lawinendurchbruch

Aus verschiedenen Gründen gibt es frei Elektronen auch in perfekten, hochisolierenden Dielektrika.. Bei hoher elektrischer Feldstärke werden diese Elektronen beschleunigt. Ist die aufgenommene Energie ausreichend hoch, werden weitere Elektronen aus ihren Bindungen herausgeschleudert – es kommt zu einer Lawine aus negativen Ladungsträgern. Die sich bildende Raumladung und Ladungslawine führt bei ausreichend hoher Spannung zum Durchschlag.

Lokale Entladungen

Ein typischer Effekt bei inhomogenen Isolationsmaterialien. An kleinen Hohlräumen wie sie z. B. in gesinterten Keramiken oder bei Vergussmassen immer vorhanden sind, ist die Durchschlagfestigkeit geringer als im soliden Dielektrikum. Bei ausreichend starkem elektrischem Feld entstehen in solchen  Hohlräumen oder Voids Mikrolichtbogen. Sie „brennen“ sozusagen das Isolationsmaterial ab und verkürzen dadurch die Isolationsstrecke so lange, bis die Durchbruchspannung des geschädigten Isolators überschritten ist.

Elektrolytischer Durchschlag

Ein vor allem durch Feuchtigkeit geförderter Prozess ist die Bildung von lokalen elektrolytischen "Mikro"strompfaden (Stichwort cti-Wert). Diese transportieren Ionen ins Material, wo sie sich mit der Zeit konzentrieren und schließlich einen leitenden Pfad ins Innere des Materials bilden. Auch in diesem Fall wird die zur Verfügung stehende Dicke des Dielektrikums reduziert, bei ausreichend hoher Spannung erfolgt ein Durchschlag.