La alta tensión supone un riesgo para la vida y la integridad física, pero también para los circuitos impresos. La fuerza de las tensiones más altas es necesaria para los accionamientos eléctricos, pero esta fuerza también puede ser destructiva.
Fig. 1: Distancias de fuga ampliadas por un entrehierro o acortadas por una isla Imagen: FlowCADParaque la electrónica de línea sea segura, las distancias entre los materiales conductores deben ser lo suficientemente grandes entre los potenciales de alta tensión para evitar la formación de arcos o averías.
Las normas de seguridad relativas a las distancias de separación y de fuga y a la rigidez dieléctrica tienen como principal objetivo proteger la vida humana. Siempre que se transporten personas y sus vidas puedan correr peligro, existen normas especiales para mantener las distancias de seguridad a altas tensiones. Estas aplicaciones incluyen ascensores, vehículos y aviones, pero también tecnología médica. El cumplimiento de las distancias de separación y fuga, así como de la rigidez dieléctrica, es importante, ya que no sólo los propios componentes electrónicos pueden resultar destruidos. Su fallo o mal funcionamiento puede tener consecuencias catastróficas para las personas. Cuando se trata de personas (vidas), las cuestiones de responsabilidad y cobertura de seguros son de gran importancia para los fabricantes.
El número de desarrollos en accionamientos eléctricos aumenta rápidamente debido a las tendencias hacia la e-movilidad, la automatización y las energías renovables, y también entran en el mercado nuevos proveedores. Las unidades de control para motores eléctricos ya no sólo se utilizan de forma estacionaria, sino también móvil en vehículos. Para optimizar la eficiencia de las unidades de control se utilizan semiconductores de potencia como IGBT, MOSFET o diodos SiC con tensiones más altas. En función de la aplicación, existen diferentes valores máximos para baja, media y alta tensión. Para proteger a las personas o los sistemas de los efectos de las averías eléctricas, especialmente en caso de sobretensión, es necesario dimensionar adecuadamente las distancias de aislamiento y de fuga, así como la rigidez dieléctrica.
¿Qué es una holgura o una línea de fuga?
Fig. 2: Evaluación de zonas con rigidez dieléctrica insuficiente Imagen: FlowCAD Unadistancia de fuga es la distancia más corta entre dos conductores eléctricos a través del aire. Si se aplica una tensión elevada a ambos conductores, el aire que hay entre ellos se ioniza y se vuelve más conductor. En función de la tensión de sobretensión, la contaminación, la duración y la presión del aire, puede producirse un cortocircuito a través del aire y aparecer un arco. El arco produce altas temperaturas, un campo electromagnético y una transferencia imprevista de carga entre los dos conductores. Estas influencias pueden destruir la electrónica o los componentes vecinos. El dimensionamiento de las líneas de fuga viene determinado por las sobretensiones nominales, que se derivan de la categoría de sobretensión y de la tensión aplicada.
En el caso de una línea de fuga, se produce un cortocircuito entre dos conductores en la superficie del material aislante si se supera la tensión efectiva. En el caso de las placas de circuitos impresos, la corriente "se arrastra" por la superficie del FR-4, la laca protectora, los componentes y los cables. La distancia de fuga es la conexión más corta a lo largo de la superficie del aislante entre los conductores.
La humedad y la presión atmosférica afectan a la tensión de inflamación a través del aire y a la probabilidad de que se produzca un arco eléctrico. La humedad, los aceites y el polvo se depositan en las superficies de la placa de circuitos y los componentes y reducen las distancias de aislamiento entre los conductores con el paso del tiempo.
Si la distancia entre dos conductores en la placa de circuito impreso es demasiado pequeña y no se alcanza la distancia de fuga permitida, se puede fresar una ranura entre los conductores(Fig. 1 arriba a la derecha). La distancia permitida se calcula a partir de la combinación de las distancias de separación y de fuga. Con el software NEXTRA, la distancia no sólo se comprueba en un nivel. Dado que la corriente de fuga también puede desplazarse hacia arriba o hacia abajo en un trazado, un orificio o un borde de la placa de circuito impreso, también deben comprobarse en tres dimensiones las posibles tensiones en los conductores de otras capas a lo largo de la superficie.
Las islas de cobre, los tornillos de fijación u otros conductores situados entre los dos conductores con tensiones más altas acortan la distancia(Fig. 1 abajo a la derecha). En las normas, los elementos conductores entre los conductores considerados se denominan problemas de tres puntos o discontinuidades. Para una prueba, deben comprobarse todas las combinaciones y trayectorias en el borde de los orificios.
El valor de la rigidez dieléctrica o la distancia necesaria para la separación y la línea de fuga requeridas depende de
- el grado de suciedad
- humedad del aire
- temperatura
- Presión del aire
- Categoría de sobretensión
- Frecuencia
- Cargas químicas
- Hidrólisis
- Presión mecánica
- Ámbito de aplicación (automoción, aeroespacial, doméstico, industrial o médico)
Diversas normas se ocupan de la seguridad de las partes activas en los sistemas de baja tensión y definen las distancias de seguridad correspondientes. Algunos ejemplos figuran en la norma DIN EN 60664-1/VDE 0110. Esta norma define las distancias que deben mantenerse entre objetos conductores para evitar que se produzcan fugas, descargas parásitas o averías.
La norma IEC 61010 define como contaminación cualquier contaminación con gases, líquidos o sólidos que pueda provocar una reducción de la resistencia eléctrica o de la capacidad de aislamiento de una distancia de aislamiento. Las distancias especificadas se dividen en las siguientes categorías en función del grado de contaminación:
- Grado de contaminación 1: no permite ninguna contaminación o sólo una contaminación ligera, pero no conductora. La contaminación no tiene ninguna influencia.
- Grado de suciedad 2: es una suciedad ligera y normal que puede volverse conductora por condensación ocasional o transpiración de las manos.
- Grado de contaminación 3: es una contaminación que es conductora o se vuelve conductora por condensación.
- Grado de contaminación 4: es una conductividad permanente causada por polvo conductor, lluvia o humedad (pero ya no es aceptable para el aislamiento que es una medida de protección).
Rigidez dieléctrica
La rigidez dieléctrica de un material aislante describe la intensidad máxima del campo eléctrico (en kV/mm) antes de que se produzca una ruptura de tensión. El material FR-4 aísla las capas superpuestas de las placas de circuitos impresos y tiene una rigidez dieléctrica de unos 13 kV/mm a una temperatura ambiente de 20 °C. Además, la tensión de ruptura de muchos materiales no es proporcional al grosor del aislante, ya que puede producirse una distribución no homogénea del campo, sobre todo con tensión continua. Por este motivo, las láminas delgadas tienen mayores rigideces dieléctricas que los materiales más gruesos. Este efecto se aprovecha, por ejemplo, en los condensadores de película. La rigidez dieléctrica depende de varios factores. Su valor disminuye al aumentar la temperatura y la frecuencia, por lo que no es una constante del material. Para las pruebas es necesaria una simulación 3D con elementos finitos.
La alta tensión comienza con una tensión superior a 60 V
Fig. 3: NEXTRA avisa al usuario de los conectores colocados demasiado cerca Imagen: FlowCADEn elflujo CAD, las distancias ya deben estar previstas en el diseño y la estructura de capas. Normalmente, el software de diseño sólo comprueba la distancia en una capa e ignora las islas o el enrutamiento. NEXTRA es un software que puede leer datos de diseño de distintos sistemas eCAD y realizar una comprobación normalizada de la placa de circuito impreso. Los modelos de componentes y los datos de diseño de armarios también pueden importarse a NEXTRA a través de interfaces bidireccionales directas para los principales sistemas eCAD y mCAD con el fin de verificar completamente los entrehierros.
Los modelos 3D STEP de los componentes pueden importarse directamente desde Allegro u OrCAD, por ejemplo, y la información sobre materiales conductores o aislantes se transfiere automáticamente mediante códigos de color sin necesidad de crear una base de datos intermedia. La precisión puede ajustarse para realizar análisis geométricos exactos con elementos finitos.
En la industria del automóvil, la nueva generación de vehículos eléctricos e híbridos utiliza tensiones de batería de 400 V e incluso 850 V, y en los inversores también se utilizan tensiones superiores. En el sector de la automoción, las tensiones superiores a 60 V se denominan de alta tensión. La diferenciación de las clases de tensión en extrabaja, baja, media, alta y extraalta procede de la tecnología de instalación y construcción. Hasta ahora, en la técnica del automóvil sólo se distinguía entre baja y alta tensión para dar a los mecánicos en el taller una indicación especial de los peligros eléctricos. Los componentes de alta tensión deben tener una rigidez dieléctrica conforme a la norma ISO 6469 debido al diseño del sistema.
Picos de tensión problemáticos
Los convertidores de frecuencia y las fuentes de alimentación conmutadas someten ahora el aislamiento a una tensión mayor que en el pasado, ya que las unidades de control del motor o las fuentes de alimentación utilizan tensiones de onda cuadrada controladas por ancho de pulso en el rango de 20 kHz y más. Los armónicos resultantes tienen componentes de frecuencia muy superiores a 50 MHz. Además, las resonancias y el acoplamiento inductivo o capacitivo, por ejemplo, provocan picos de tensión muy superiores a la tensión de funcionamiento. Las altas velocidades de conmutación (du/dt) en la electrónica de potencia de los MOSFET o IGBT suponen una carga considerable para los materiales aislantes utilizados.
Además de los factores internos del circuito, como las altas frecuencias, también existen factores externos cuando se conmuta con semiconductores de potencia. Las cargas inductivas que se conmutan o la capacitancia de los cables conectados provocan picos de tensión no deseados. Los valores máximos de los picos de tensión causados por factores externos pueden determinarse de antemano mediante simulaciones de circuitos con PSpice y registrarse como picos de tensión en los datos CAD y utilizarse para las pruebas de tensión.
Para una declaración de seguridad deben tenerse en cuenta las tolerancias mecánicas. Esto implica identificar no sólo el camino más corto, sino también una zona que podría ser problemática con los parámetros de entrada dados, como la tensión, el material, la contaminación y la presión atmosférica. NEXTRA tiene en cuenta la influencia de las tolerancias de fabricación y montaje. La figura 3 muestra que las dos superficies de un conector pueden estar demasiado juntas debido a las tolerancias de fabricación. Estas tolerancias sólo pueden reconocerse por casualidad al probar prototipos.
Aumento de la fiabilidad
Fig. 4: Formación de dendritas en un aislante a lo largo de la distanciade fugaImagen: Departamento de Ingeniería - Universidad de LeicesterLasimulación decircuitosy la verificación de las distancias de aislamiento y fuga pueden mejorar la fiabilidad y la conformidad con las normas. Es difícil probar la rotura y el flameo en el estado instalado con diferentes niveles de contaminación. En un flujo CAD profesional, los modelos 3D STEP de los componentes de alta tensión deben tener un código de colores diferente para los materiales conductores y aislantes. De este modo, es fácil y rápido iniciar un análisis del entrehierro y la distancia de fuga junto con la lista de redes, las tensiones pico y las especificaciones de las clases de contaminación. De este modo, el diseñador de PCB puede desarrollar circuitos fiables y evitar la destrucción térmica debida a los entrehierros y las líneas de fuga.
La coordinación del aislamiento consiste en analizar las distancias de aire y de fuga y la rigidez dieléctrica. Una simulación puede tener en cuenta todos los caminos más cortos con todos los parámetros. Sin embargo, la precisión de la simulación sólo puede ser tan buena como los parámetros de entrada. Un parámetro de entrada es la contaminación, que sólo se clasifica verbalmente en cuatro categorías. Por lo tanto, NEXTRA trata las violaciones del aislamiento como "áreas problemáticas", que se reservan para el juicio final de los ingenieros. Un simple camino más corto no suele darse en la realidad, ya que el material aislante, los campos eléctricos y la contaminación no son homogéneos. Las imágenes de las distancias de fuga muestran estructuras fractales (formación de dendritas, Fig. 4). Por lo tanto, toda la zona problemática debe someterse a una evaluación final de ingeniería.
Las distancias de aislamiento frente a tensiones de 60 V deben comprobarse ya en el trazado de la placa de circuito impreso, ya que de este modo pueden simularse en una fase temprana todas las combinaciones y tolerancias de fabricación. Y los puntos débiles detectados en una fase temprana pueden rectificarse sin incurrir en costes de seguimiento.
