Hochspannungsversorgungen für anspruchsvolle Anwendungen

Die Begriffe Genauigkeit und Präzision werden nicht immer korrekt verwendet. In der Wissenschaft haben sie unterschiedliche Bedeutungen und werden sorgfältig gewählt, wenn es darum geht, die Leistung von Geräten oder die Ergebnisse einer Handlung oder Messung zu bewerten. Genauigkeit und Präzision sind Messgrößen, die angeben, wie nahe ein Ziel oder eine Zielerreichung ist. Die Genauigkeit gibt an, wie nahe man dem wahren Wert der Messgröße kommt. Der Präzisionsgrad ±zeigt, wie nahe die gemessenen Werte beieinander liegen. Die beiden Parameter lassen sich als prozentuale oder absolute Abweichung quantifizieren, können aber völlig unabhängig voneinander sein.

Das übliche Beispiel sind Schüsse auf eine Zielscheibe: Sind alle Einschusslöcher gleichmäßig um die Scheibe herum gruppiert, aber nicht in der Mitte, wird das Er-gebnis genau genannt, aber nicht präzise. Wenn alle Schüsse nicht in der Mitte liegen, aber dicht beieinander, ist das präzise, aber nicht genau (Bild 1).

Ein Scharfschütze wäre nur mit der oberen rechten Scheibe zufrieden, aber wenn es um Hochspannungsversorgungen geht, kann jede der verschiedenen Kombinationen je nach Anwendung akzeptabel sein. Elektrostatische Chucks (ESC), wie sie in der Halbleiterfertigung zum Aufnehmen von Wafern verwendet werden, benötigen beispielsweise eine relativ geringe Genauigkeit der Hochspannung (innerhalb weniger Prozent des Sollwerts) aber eine gleichbleibende Genauigkeit, was eine hohe Präzision bedeutet.

Stromversorgung für PMT

Es gibt einige Anwendungen für Stromversorgungen, bei denen die Ausgangsspannung für Last- und Eingangsspannungsänderungen über die Zeit und bei wechselnden Umgebungsbedingungen gleichzeitig präzise und genau sein muss. Ein Beispiel ist eine Hochspannungsversorgung für empfindliche Geräte wie Photomultiplier-Röhren (PMTs).

PMTs werden für Rasterelektronenmikroskope, Massenspektrometer und die medizinische Bildgebung verwendet. Ein PMT benötigt beispielsweise 1200 V bei einigen μA und verstärkt die Spannung meist um das 100-millionenfache, um Photoelektronen bei sehr niedrigen Pegeln zu erkennen. Da sich die Betriebsspannung direkt auf die PMT-Leistung und letztlich auf die Schärfe des Bildes auswirkt, sind ihr Absolutwert (Genauigkeit) und die Konsistenz der Messungen bei veränderlichen Umgebungstemperaturen und zwischen den Kalibrierungsintervallen (Präzision) wichtig.

Aussagekräftige Ergebnisse

Massenspektrometer benötigen in ähnlicher Weise leistungsstarke Hochspannungsversorgungen für valide Messungen. Statische Werte für die Ausgangsspannung und Langzeitstabilität sind bei diesen Anwendungen von entscheidender Bedeutung, aber auch überlagertes Rauschen kann problematisch sein und zum Beispiel das PMT-Signal übertönen. Darüber hinaus ist die Reproduzierbarkeit über verschiedene Geräte und über Zeit- und Temperaturschwankungen hinweg (Präzision) entscheidend für konsistente und aussagekräftige Ergebnisse. Hochspannungsversorgungen werden häufig mit hochsensiblen Anwendungen in Verbindung gebracht, es gibt viele weitere Beispiele wie E-Beam-Lithografie in der Halbleiterfertigung und piezoelektrische Antriebe für die Positionierung von Linsen und Spiegeln.

Stromversorgungen für allgemeine Anwendungen (sowohl AC/DC als auch DC/DC) haben typische Spezifikationen, die von den Endverbrauchern seit Jahrzehnten akzeptiert werden. Hierzu gehören eine Genauigkeit der Ausgangsspannung von ±2 %, eine Stabilität von 0,5 % im Bereich von 10 % bis 100 % der Ausgangsleistung und eine Stabilität von 0,1 % bei einer Änderung der Versorgungsspannung vom Minimum zum Maximum. Restwelligkeit und Rauschen werden häufig mit maximal 1 % der Nominalspannung spezifiziert, gemessen in einer Bandbreite von 20 MHz. Die Werte ergeben sich aus der Verwendung praktischer, preiswerter und leicht erhältlicher Komponenten bei der Konstruktion von Stromversorgungen, was dem Hersteller und An-wender zugute kommt. So wird die Ausgangssollspannung durch eine interne Spannungsreferenz und einen Spannungsteiler am Ausgang definiert. Rechnet man die Toleranzen hinzu, müssen selbst Komponenten für ein Standardprodukt innerhalb von ±0,5 % liegen und sind daher teurer als die üblichen ±1-%-Bauteile. Bei Spannungen auf Logikpegel-Niveau führt dies zu Abweichungen im mV-Bereich, aber bei einer Ausgangsspannung von 2 kV sind es Dutzende von Volt, was für empfindliche Geräte ein Problem darstellt.
Akzeptable Werte für Hochspannungsanwendungen wie Elektronenstrahlmikroskopie oder Elektronenstrahllithografie sind eher Stabilitäten im Bereich von 0,02 % - 0,0001 % (200 ppm – 1 ppm) und vielleicht 0,0005 % (5 ppm) der Nennspannung bezüglich Restwelligkeit, was beispielsweise 100 mVpp bei 2 kVDC entspricht.

Stromversorgungsdesign

Diese Werte können nur durch ein sorgfältiges Stromversorgungsdesign erzielt werden mit präzisen temperaturkompensierten Spannungsreferenzen, hochgenauen Widerständen und Wandlertopologien, die von Natur aus störungsarm sind, wie z. B. Leistungsoszillatoren oder Resonanzwandlern.

Das Design des internen Leistungsübertragers ist ebenfalls wichtig, um hohe Isolierung und geringes Rauschen zu erzielen. Für letzteres ist eine sorgfältige Platzierung mehrerer Abschirmungen erforderlich. Diese stellen allerdings selbst eine Herausforderung für die Isolierung dar. Sogar die relative Position der Anfangs- und Endpunkte einer Wicklung kann wichtig sein, um ein gewisses Maß an Selbstabschirmung zu erreichen. Modulare Wandler werden meist in Metallgehäusen untergebracht, um eine Abschirmung mit garantierter Sicherheitsisolierung sowohl vom Eingang zum Ausgang als auch vom Eingang und Ausgang zum Gehäuse zu gewährleisten.

Hohe Spannungen

Bei hohen Spannungen sind große Messimpedanzen erforderlich, um die Verlustleistung zu minimieren. Daher muss auch der Leckstrom sorgfältig kontrolliert werden. Schon die geringste Verunreinigung z. B. durch einen Fingerabdruck auf einer Leiterplatte kann ausreichen um die Ausgangsspannung zu beeinträchtigen oder sogar einen Lichtbogen auf der Oberfläche auszulösen. Die Kriech- und Luftstrecken müssen auf die hohen Spannungen abgestimmt sein, um die Sicherheitsstandards zu erfüllen. Die Leiterbahnen müssen ohne scharfe Ecken verlegt werden, um Punkte mit hoher elektrischer Feldstärke und daraus resultierende Durchschläge zu vermeiden. Bei sehr hohen Spannungen muss das Leiterplattenmaterial selbst sorgfältig geprüft werden. Dabei wird FR4 in der Regel durch BT-Epoxid, phenolgehärtete starre Laminate oder High-Voltage-Teflon ersetzt, die eine bessere dielektrische Festigkeit besitzen.

Modulare Hochspannungsversorgungen werden häufig gekapselt, um die Gefahr der Lichtbogenbildung durch Verunreinigungen zu verringern und die Sicherheit des Anwenders zu gewährleisten. Die Verkapselung kann jedoch unter bestimmten Umständen die Stärke des elektrischen Feldes lokal erhöhen, so dass diese sorgfältig ausgeführt werden muss. Epoxid- und Silikonmaterialien erfordern in Bezug auf mechanische Festigkeit, Feuchtigkeits- und chemische Beständigkeit, Haftung, Überarbeitbarkeit und Temperaturbereich unterschiedliche Kompromisse. In der Praxis werden die Typen oft durch die von den Sicherheitsbehörden zugelassenen Isoliereigenschaften eingeschränkt.

All diese Überlegungen sind notwendig, wenn Hochspannungsversorgungen kostengünstig, kompakt und effizient sein sollen. Darüber hinaus ist ein Schutz gegen Kurzschluss, Überlast und Überspannung erforderlich, während die Überwachung des Ausgangsstatus häufig zusammen mit der Fernprogrammierbarkeit der Ausgangsspannung und der Strombegrenzung von Null bis zum vollen Nennwert gefordert wird.


Fertige Lösungen

Spezialisierte Hersteller von Stromversorgungen haben diese anspruchsvolle Arbeit bereits erledigt und bieten Standardprodukte an, die den Hochspannungsanforderungen entsprechen.  Die Serie HCP von XP Power (Bild 2) beispielsweise erzeugt Ausgangsspannungen bis zu 300 kV mit 350 W Ausgangsleistung bei Restwelligkeiten bis 10 ppm und Stabilitäten bis zu 10 ppm. Die Einstellauflösung beträgt weniger als 10 ppm über das Feingang-Potentiometer. Ausgangsspannung und Ausgangsstrom sind über analoge und digitale Schnittstellen von 0 bis 100 % einstellbar, der Wirkungsgrad beträgt 90 %. Weitere Produkte sind in verschiedenen Gehäusen erhältlich, darunter gekapselte PCB-Montage-, Tisch- und Rack-Montage-Lösungen mit Spannungen bis zu 600 kV und Ausgangsleistungen bis 600 kW.

Fazit

Es ist eine Herausforderung, bei der Entwicklung von DC-Stromversorgungen für anspruchsvolle Anwendungen mit hoher Spannung die hier erforderliche Präzision und Genauigkeit zu erzielen. Ein zugekauftes, vorzertifiziertes Gerät ist hier in der Regel die kostengünstigste Lösung und bringt auch das geringste Entwicklungsrisiko mit sich. Gleichzeitig gewährleistet eine solche Lösung die schnellstmögliche Markteinführung für das Endprodukt.