EP Basics: Verbindungstechnik Steckverbinder in der Leistungselektronik: Das müssen Sie beachten

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Hochstromkontakte rücken zunehmend in den Fokus diverser Anwendungen. Beim Design müssen einige Besonderheiten beachtet werden. Denn Stromverträglichkeit und Lebensdauer hängen stark von der Temperatur im Kontaktpunkt ab. Ein Leitfaden.

Elektrische und elektronische Systeme müssen heute mit immer schnelleren Taktraten arbeiten und mit immer weniger Leistung auskommen. Das führt dazu, dass die Versorgungsspannungen kleiner und demzufolge die auftretenden Stromstärken größer werden.

Die Hybridisierung und die Elektrifizierung von Kraftfahrzeugen, die Verdrängung von Dieselbussen aus dem öffentlichen Personennahverkehr und autarke Generatoren bei Nutzfahrzeugen erfordern Steckverbindungen, die für hohe Ströme ausgelegt sind.

Beide Tatsachen beeinflussen das Design der Steckverbinderkontakte in der Leistungselektronik: Aufgrund der Kontaktflecken (Einengungen für den Strom in der Kontaktstelle und Grund für den Übergangswiderstand) und der Stromverdrängung in jedem Kontaktpunkt kann in den Kontakten nur eine gewisse Stromstärke übertragen werden.

Das Grundübel ist der Kontaktübergangswiderstand, der Wärme erzeugt, die wiederum die Relaxation der Kontaktfeder beschleunigt, was eine kleinere Kontaktnormalkraft und dadurch einen höheren Kontaktübergangswiderstand zur Folge hat. Zudem tritt beim Steckverbinder diese Erwärmung doppelt auf, in der Hinleitung und in der Rückleitung [P = 2 • I² • R].

Diesen Teufelskreis müssen insbesondere Entwickler von Steckverbindern in der Leistungselektronik durchbrechen.

Hitzeproblem: Doppelte Stromstärke heißt Widerstand vierteln

Wenn Sie die Stromstärke erhöhen, müssen Sie also den Übergangswiderstand quadratisch reduzieren, um die Verlustleistung am Kontaktpunkt und damit die Temperaturüberhöhung konstant zu halten. Bei doppelter Stromstärke ist demzufolge der Widerstand zu vierteln! So weit die Theorie.

Es gibt für Steckverbinder in der Leistungselektronik nur zwei Alternativen: Kleiner Übergangswiderstand und Entwärmung (Bild 1).

• Einen niedrigeren Übergangswiderstand (Werkstoff, Parallelkontakte, Oberfläche) wählen: Hier können Sie auf Hochleistungslegierungen mit hoher Temperaturbeständigkeit und guter Wärmeleitung ausweichen, Mehrfachkontaktsysteme verwenden oder versilberte Kontaktoberflächen einsetzen (diese haben den geringsten Kontaktübergangswiderstand).

• Die Kühlung (Fremdbelüftung oder Wärmeableitung) optimieren: Luftkanäle zwischen den Kontakten helfen bei der Entwärmung, wenn ein Luftstrom durch den Verbinder möglich ist. Sie können dickere Anschlussleitungen zum Abführen der Wärme in Richtung Kabel verwenden oder Leiterplatten mit dickerem Kupferauftrag, wenn die Wärme nicht von innen kommt.

Kühlung durch Anschlussleitungen und Leiterplatte

Hersteller geben für Kabelverbinder Strombelastungsgrenzen für unterschiedliche Anwendungen an. Der Querschnittsunterschied zwischen AWG28 (0,1 mm²) und AWG16 (1,5 mm²) erlaubt durch die bessere Kühlung die 5- bis 8-fache Strombelastung. Die Strombelastung gilt, wenn alle Kontakte bestromt sind, weshalb bei höherpoligen Verbindern die Stromgrenze pro Kontakt niedriger ist.

Die Grenzwerte sind aufgrund der besseren Wärmeleitfähigkeit bei Messing (Kupfer-Zink-Legierung) etwas besser als bei Federbronze (Kupfer-Zinn-Legierung, Phosphorbronze).

Die Eckdaten gelten für eine UL-Temperaturüberhöhung von 30 °C. Bei Umgebungstemperaturen über 65 °C sind reduzierte Werte gültig, weil die Temperatur am Kontaktpunkt dann bereits 95 °C ist und die Relaxation des Federwerkstoffs mit einkalkuliert werden muss (Derating).

Eine dickere Kupferlage auf der Leiterplatte bringt eine bessere Wärmeableitung bei koplanaren Leiterplattensteckverbindern. Allerdings wird sich fast immer in der Praxis ein größerer Wärmeerzeuger (z.B. ein ASIC) auf der Leiterplatte befinden, der der Wärmeabfuhr nicht förderlich ist.

Thermische Simulation bei komplexen Steckverbindern

Ohne eine thermische Simulation kommen Sie in der Regel nicht zu einem befriedigenden Ergebnis. Dabei ist es wichtig, dass Sie die Materialeigenschaften der Kontakte und der Leiterplatten kennen. Sie müssen nicht nur die Eigenerwärmung durch den Kontaktpunkt, sondern auch externe Einflüsse über die Leiterplatte mit berücksichtigen.

Die thermische Finite-Elemente-Analyse zeigt das Wärmeprofil in Abhängigkeit von Werkstoff, Strombelastung und der Umgebungstemperatur (Bild 2). Wie die thermische Simulation funktioniert und wie Sie Steckverbinder thermisch darstellen, ist Thema eines weiteren Artikels.

Hot Plugging in der Leistungselektronik

Das Stecken und Ziehen von Steckverbindern unter Last (Hot Plug) sollten Sie in der Leistungselektronik generell vermeiden. Beim Stecken erzeugen die Ladekondensatoren der Last Kontaktabbrände beim ersten Kontaktpunkt, die je nach Kontaktdesign mehr oder weniger Abbrand in der Nähe des Kontaktpunktes verursachen und dort die Oberflächenveredelung vernichten.

Beim Ziehen können Lichtbögen entstehen, die unkontrolliert die Kontaktoberflächen beschädigen. Dies ist insbesondere bei Gleichstromsystemen der Fall.

Durch ein gutes Kontaktdesign können Sie diese Abbrandbeschädigungen entweder auf einen Opferkontakt verlegen oder so weit weg vom Hauptkontaktpunkt stattfinden lassen, dass Leistung und Lebensdauer des Kontaktes nicht beeinflusst werden (Bild 3).

Die Underwriter Laboratories (UL) haben sich ebenfalls dem Thema Stecken und Ziehen von Steckverbindern unter Last angenommen. UL beschreibt in der UL1977 in Abschnitt 18 den „Resistance To Arcing“-Test (Beständigkeit gegen Lichtbogenbildung): Das Steckverbinderpärchen wird bei 150 Prozent des Nennstromes über 250 Steckzyklen getestet, wobei nach 50 Zyklen der Übergangswiderstand gemessen wird und nach 250 Zyklen und zusätzlichem Temperatur- und Isolationswiderstandstest keine elektrischen oder mechanischen Fehler oder Kriechstromspuren sichtbar sein dürfen (Bilder 4 und 5).

Die sicherste Methode zum Vermeiden des Lichtbogens ist der HVIL (High Voltage Interlock Loop) oder sogenannte „Powerkill“-Hilfskontakt, der als LMFB (Last-Mate-First-Break) ausgeführt ist und die Versorgungsspannung (z.B. das Schaltnetzteil) abschaltet, bevor die Hauptkontakte sich trennen und somit kein Lichtbogen entstehen kann.

Stromverträglichkeit im Grenzbereich: Derating-Kurven

Der Nennstrom eines Steckverbinderkontaktes ist im Datenblatt oder in der Produktspezifikation definiert. Hierbei müssen Sie zwischen anwendungsspezifischen Angaben und allgemeinen Angaben unterscheiden. Meistens wird allgemein der Nennstrom nach der UL-Vorgehensweise genannt. Hierbei werden alle Kontakte des Verbinders gleichzeitig vom selben Strom durchflossen. Der Nennstrom ist dann der Strom, der an der Kontaktfeder eine Temperaturüberhöhung von 30 °C gegenüber der Raumtemperatur erzeugt.

Diese durch den Nennstrom erzeugte Temperaturüberhöhung bleibt konstant – egal, ob bei 24 °C Raumtemperatur eine Kontaktfedertemperatur von 54 °C erreicht wird oder sich bei 50 °C Umgebungstemperatur eine Kontaktfedertemperatur von 80 °C einstellt!

Die durch den Übergangswiderstand erzeugte Wärmemenge [P = I² • R] hebt die Temperatur immer um 30 °C an, kann aber je nach den eingesetzten Kühlmethoden (dickerer Draht im Crimpkontakt oder stärkere Verkupferung bei einem Leiterplattenstecker) auch variieren.

Die Werkstoffe der Kontaktfedern und die Kunststoffe haben Grenztemperaturen, bei denen die Kontaktfeder „weich“ wird und die Kontaktlebensdauer eingeschränkt bzw. der Isolator instabil wird.

Um dies zu vermeiden, kann der Steckverbinder bei höheren Umgebungstemperaturen nicht mehr mit seinem Nennstrom belastet werden. Man spricht dann vom Derating, dem Reduzieren des Nennstromes in Abhängigkeit von der Umgebungstemperatur. In der Praxis beginnen diese kritischen Kontaktfedertemperaturen bei Temperaturen von ca. 85 °C, so dass bei Umgebungstemperaturen über 55 °C Vorsicht geboten ist.

Der Larson-Miller-Parameter definiert Einsatztemperatur und Lebensdauer

Für die Kontaktfedern ist die eingesetzte Kupferlegierung mit dem spezifischen Larson-Miller-Parameter verantwortlich. Diese Kennzahl definiert, bei welchen Temperaturen der Kontakt eingesetzt werden kann bzw. welche Lebensdauer bei einer höheren Kontaktfedertemperatur erreicht werden kann.

Ausgehend von einer (erlaubten) Federkraftreduzierung von 15 Prozent, die immer noch eine einwandfreie Kontaktgabe garantiert, kann bei dieser Legierung eine Lebensdauer von 10 000 Stunden sichergestellt werden, wenn die Kontaktfedertemperatur von 110 °C nicht dauerhaft überschritten wird (also die Umgebungstemperatur nicht über 80 °C liegt). Bei einer um 10 °C höherer Umgebungstemperatur reduziert sich die Lebensdauer auf nur noch 2.500 Stunden!

Wollen wir für denselben Kontakt eine Lebensdauererwartung von 100.000 Stunden, dann darf die Kontaktfedertemperatur 95 °C nicht übersteigen. Der Steckverbinder darf also bei Nennstrombelastung nur bei einer Umgebungstemperatur von 65 °C eingesetzt werden. Bei einer um 5 °C höheren Umgebungstemperaturen reduziert sich die Lebensdauer bereits auf 46.200 Stunden.

Zusätzlich müssen Sie beachten, dass der eingesetzte Kunststoff ebenfalls eine Grenztemperatur hat. Diese darf ebenfalls nicht überschritten werden.

So können Sie auch ohne eine gemessene Derating-Kurve bei bekanntem Federwerkstoff abschätzen, wie weit der Steckverbinder in höheren Umgebungstemperaturen belastet werden darf, und sich eine errechnete Kurve plotten, die in diesem Fall für den maximalen Nennstrom von 3 A bei einer Umgebungstemperatur von 75 °C und für den reduzierten Nennstrom von 0,5 A bei einer Umgebungstemperatur von 105 °C richtig ist (Bild 6).

Der Hinweis auf AWG22 ist in diesem Fall wichtig, da dieser Crimpkontakt durch den ange- schlossenen Drahtquerschnitt gekühlt wird und der nach UL definierte Nennstrom je nach Drahtquerschnitt unterschiedlich ist!

Es sollte jetzt verständlich sein, dass Sie Steckverbinder im Zusammenhang mit den Umgebungstemperaturen und der Lebensdauererwartung auswählen müssen.

Leistungselektronik-Steckverbinder: Das sollten Sie wissen

Die Verlustleistung wird durch den Strom und den Kontaktwiderstand bestimmt [P = I² • R]. Wollen Sie also die Verlustleistung wegen der Wärmeentwicklung konstant halten, so müssten Sie bei doppeltem Strom den Kontaktwiderstand vierteln, was physikalisch nicht möglich ist.

Deshalb sind bei Hochstromverbindern viele Kontaktfedern parallel angeordnet, es wird ein besserer Federwerkstoff aus Hochleistungslegierungen verwendet und oft auch dickere Kontaktfedern, die einerseits mehr Wärme abführen, aber andererseits höhere Steck- und Ziehkräfte verursachen.

Besonders schwierig werden Einsatzfälle in geschlossenen, nicht belüfteten Geräten. Hier kann die Wärmeabfuhr nicht in das Gerät, sondern höchstens über das Anschlusskabel abgeführt werden. Somit ist der Kompromiss über die Stromverträglichkeit ein Zusammenspiel von den eingesetzten Kontaktwerkstoffen, den Kunststoffen der Kontaktträger, der Kühlung oder der Belüftung in Bezug auf die UL-Temperaturerhöhungsgrenze von 30 °C in Bezug auf die maximale Umgebungstemperatur (Bild 7).

Die Stromverträglichkeit eines Steckverbindersystems hängt von der Temperatur im Kontaktpunkt ab. Diese wird ursächlich durch den Strom und den Kontaktübergangswiderstand erzeugt und mehr oder weniger durch Belüftungs- und Kühlmaßnahmen reduziert.

Die Grenzwerte für die eingesetzten Kunststoffe sowie die Lebensdauererwartung des Kontaktfederwerkstoffes müssen ebenfalls beachtet werden. Bei dauerhaften Umgebungstemperaturen über 125 °C ist außerdem noch ein Augenmerk auf die Oberflächenveredelung der Kontakte zu werfen. Verzinnte Oberflächen sind dann untauglich, vergoldete Kontakte werden oberhalb von Temperaturen von 150 °C kritisch.

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* Herbert Endres ist freiberuflicher Berater für Fragen rund um Steckverbinder unter dem EndresConsult-Logo.

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