Hochspannung präzise messen: Warum KOA mit HVD und MHVD den klassischen Spannungsteiler neu denkt

Weniger Bauteile, mehr Präzision: Wie integrierte Hochspannungs-Widerstandsnetzwerke die Entwicklung von 400-V- und 800-V-Systemen vereinfachen.

800-Volt-Batteriesysteme, leistungsfähige Traktionswechselrichter und moderne DC/DC-Wandler stellen Entwickler vor eine scheinbar einfache Aufgabe: Eine hohe Gleichspannung muss zuverlässig erfasst und auf einen Spannungsbereich reduziert werden, den ein Mikrocontroller oder Analog-Digital-Wandler verarbeiten kann.

Die klassische Lösung ist seit Jahrzehnten bekannt: ein resistiver Spannungsteiler.

Doch was im Schaltplan nach zwei Widerständen aussieht, wird bei hohen Spannungen schnell zu einer anspruchsvollen Konstruktion. Spannungsfestigkeit, Kriechstrecken, Widerstandstoleranzen, Temperaturdrift und Langzeitstabilität müssen gleichzeitig berücksichtigt werden.

Oft werden deshalb zehn oder mehr Einzelwiderstände in Reihe geschaltet. Das benötigt Leiterplattenfläche, erhöht den Bestückungsaufwand und bringt zusätzliche Toleranz- und Zuverlässigkeitsfragen mit sich.

KOA verfolgt mit den Hochspannungs-Widerstandsnetzwerken HVD und MHVD einen anderen Ansatz: Die entscheidenden Widerstände eines präzisen Spannungsteilers werden innerhalb eines abgestimmten Bauelements integriert.

Das klingt zunächst nach einer Vereinfachung des Layouts. Tatsächlich reicht der technische Nutzen deutlich weiter.

Warum bei einem Spannungsteiler das Verhältnis wichtiger ist als der Einzelwiderstand

Ein Spannungsteiler besteht aus zwei Widerständen, R1 und R2. Die Ausgangsspannung ergibt sich aus:

Uout = Uin × R2 / (R1 + R2)

Entscheidend für die Messgenauigkeit ist deshalb nicht allein die absolute Toleranz der Widerstände, sondern insbesondere die Genauigkeit ihres Verhältnisses.

Ein Beispiel: Bei 800 V Eingangsspannung und einem Teilungsverhältnis von 301:1 beträgt die Ausgangsspannung rund 2,66 V.

Bereits kleine Abweichungen des Widerstandsverhältnisses können das Messergebnis verändern. Hinzu kommen temperaturabhängige Veränderungen der Widerstandswerte.

Hier zeigt sich ein wesentlicher Vorteil integrierter Widerstandsnetzwerke.

Relative Tolerance: Zwei Widerstände, ein präzises Verhältnis

KOA spezifiziert bei seinen Hochspannungsteilern nicht nur die absolute Widerstandstoleranz, sondern auch die relative Toleranz zwischen den Widerständen.

Bei der Dünnschichtserie HVD liegt diese bei bis zu 0,1 %, bei der Dickschichtserie MHVD bei bis zu 0,25 %.

Für eine präzise Spannungsmessung ist diese relative Genauigkeit besonders relevant: Selbst wenn beide Widerstände gegenüber ihren Nennwerten geringfügig abweichen, kann das Teilungsverhältnis sehr genau bleiben.

TCR Tracking: Wenn die Temperatur steigt

Ein weiterer entscheidender Parameter ist das sogenannte TCR Tracking.

Der Temperature Coefficient of Resistance (TCR) beschreibt, wie stark sich ein Widerstandswert mit der Temperatur verändert. Das TCR Tracking beschreibt dagegen die Differenz der Temperaturkoeffizienten innerhalb eines Widerstandsnetzwerks.

Die KOA-HVD-Serie erreicht ein TCR Tracking von 10 ppm/K, die MHVD-Serie 25 ppm/K.

Warum ist das wichtig?

Wenn sich beide Widerstände bei Temperaturänderungen nahezu gleich verhalten, bleibt das Teilungsverhältnis weitgehend konstant. Dadurch lässt sich der temperaturbedingte Messfehler reduzieren.

Gerade in Hochvolt-Anwendungen, in denen Elektronik zwischen niedrigen Umgebungstemperaturen und hohen Betriebstemperaturen arbeitet, ist diese Eigenschaft von erheblichem praktischem Nutzen.

HVD oder MHVD? Zwei Technologien für unterschiedliche Anforderungen

KOA bietet zwei technisch unterschiedliche Konzepte an.

Merkmal	HVD	MHVD
Widerstandstechnologie	Dünnschicht (Thin Film)	Dickschicht (Thick Film)
Maximale Arbeitsspannung	1.000 V	1.500 V
Relative Widerstandstoleranz	0,1 %	0,25 %
TCR Tracking	10 ppm/K	25 ppm/K
Teilungsverhältnis	10:1 bis 1.000:1	100:1 bis 500:1
Automotive-Qualifikation	AEC-Q200	AEC-Q200

Die HVD-Serie richtet sich insbesondere an Anwendungen mit sehr hohen Anforderungen an das Widerstandsverhältnis und dessen Temperaturstabilität.

Die neue MHVD-Serie erweitert das Konzept um eine Dickschichtlösung mit bis zu 1.500 V maximaler Arbeitsspannung.

Das MHVD-Netzwerk ist als vergossenes, vierpoliges SMD-Bauelement ausgeführt. Die Abmessungen betragen lediglich 11,5 × 7,0 × 4,35 mm.

Mit Widerstandswerten von R1 bis 51 MΩ und einem Betriebstemperaturbereich von −55 °C bis +155 °C eignet sich die Serie für anspruchsvolle Hochspannungs-Messschaltungen.

Die Auswahl zwischen HVD und MHVD ist damit keine reine Preis- oder Technologiefrage. Entscheidend sind Spannungsanforderung, zulässiger Messfehler, Temperaturverhalten und die elektrischen Sicherheitsabstände.

Bis zu 70 % weniger Leiterplattenfläche – aber der eigentliche Vorteil liegt im System

Ein klassischer Hochspannungsteiler wird häufig aus einer Reihenschaltung mehrerer SMD-Widerstände aufgebaut, um die erforderliche Spannungsfestigkeit zu erreichen.

KOA vergleicht in seinen technischen Unterlagen eine Anordnung aus zehn bis vierzehn Einzelwiderständen mit den integrierten HVD- und MHVD-Netzwerken.

Die Ergebnisse zeigen einen deutlichen Unterschied:

• Klassische Widerstandskette: etwa 177 mm² Montagefläche

• MHVD-Netzwerk: etwa 80 mm²

• HVD-Netzwerk: etwa 52 mm²

Je nach eingesetzter Technologie und Referenzaufbau ergibt sich daraus eine Flächenreduzierung von ungefähr 50 bis 70 %.

Doch der Platzgewinn ist nur ein Teil der Betrachtung.

Ein integriertes Netzwerk reduziert die Zahl der zu beschaffenden, zu lagernden und zu bestückenden Komponenten. Gleichzeitig entfallen mehrere einzelne Lötstellen und Bestückungsvorgänge.

Auch für die Serienfertigung kann das Vorteile bringen: weniger Feederpositionen, weniger Materialhandling und ein vereinfachter Bestückungsprozess.

Allerdings ersetzt ein kompakter Spannungsteiler nicht die sorgfältige Hochvolt-Auslegung der Leiterplatte. Sicherheitsabstände, Verschmutzungsgrad, Isolationskoordination und das konkrete Leiterplattenlayout bleiben maßgeblich.

1.500 V Arbeitsspannung: Was bei der MHVD-Serie zu beachten ist

Mit einer maximalen Arbeitsspannung von 1.500 V und einer maximalen kurzzeitigen Überlastspannung von 3.000 V erweitert die MHVD-Serie die Einsatzmöglichkeiten integrierter Hochspannungsteiler.

KOA gibt für das Bauelement eine Kriechstrecke von 12,5 mm an. Diese ist laut Hersteller für 1.250 V unter den genannten Bedingungen gemäß IEC 60664-1 bei Verschmutzungsgrad 2 geeignet.

Hier ist eine wichtige Unterscheidung notwendig: Die maximale elektrische Arbeitsspannung eines Bauelements ist nicht automatisch identisch mit der für jede Anwendung zulässigen Isolationsspannung.

Für das konkrete Design müssen deshalb die Einsatzbedingungen und normativen Anforderungen separat bewertet werden.

Auch die Verlustleistung darf nicht übersehen werden. Die MHVD-Serie ist mit einer Nennleistung von 1 W spezifiziert, wobei oberhalb der festgelegten Bezugstemperaturen ein thermisches Derating erforderlich wird.

Eine hohe zulässige Spannung bedeutet folglich nicht, dass jede Widerstandskombination bei 1.500 V uneingeschränkt betrieben werden kann.

Praxisbeispiel: 800-V-Batteriespannung für ein BMS erfassen

Ein anschauliches Beispiel liefert KOA selbst.

Für die Überwachung einer 800-V-Batteriespannung wird ein MHVD-Netzwerk mit folgenden Widerstandswerten eingesetzt:

R1 = 8,06 MΩ

R2 = 26,9 kΩ

Daraus ergibt sich ein Teilungsverhältnis von ungefähr 301:1.

Bei einer Eingangsspannung von 800 V liefert der Spannungsteiler eine Ausgangsspannung von etwa 2,66 V.

Diese Spannung lässt sich grundsätzlich einem geeigneten Mess-IC oder ADC zuführen, sofern dessen Eingangsbereich und die notwendige Signalaufbereitung berücksichtigt werden.

Interessant ist auch die Verlustleistung: Bei 800 V liegt sie für das gesamte Widerstandsnetzwerk bei ungefähr 79 mW. Der Strom durch den Teiler beträgt rund 99 µA.

Damit zeigt das Beispiel, wie sich eine Hochvolt-Messung mit einem vergleichsweise hochohmigen Netzwerk realisieren lässt.

Bei einer realen BMS-Auslegung müssen darüber hinaus weitere Faktoren berücksichtigt werden: Eingangsschutz, Messfilterung, Fehlererkennung, ADC-Referenzgenauigkeit und die Anforderungen an die funktionale Sicherheit.

Langzeitstabilität: Warum der Widerstand auch nach Jahren noch stimmen muss

Ein Spannungsteiler für die Batterieüberwachung soll nicht nur bei der Erstinbetriebnahme korrekt messen.

Er muss auch nach vielen Temperaturwechseln, unter Feuchtebelastung und über eine lange Betriebsdauer möglichst stabile elektrische Eigenschaften aufweisen.

KOA weist deshalb in den technischen Unterlagen zur MHVD-Serie unter anderem Prüfungen zu Temperaturwechseln, Feuchtebeständigkeit, Lötwärmebeständigkeit, Hochtemperaturlagerung und Dauerbelastung aus.

Dazu gehören beispielsweise 1.000 Temperaturwechsel zwischen −55 °C und +155 °C sowie eine Feuchteprüfung über 1.000 Stunden bei 85 °C und 85 % relativer Luftfeuchtigkeit.

Die Serie ist nach AEC-Q200 qualifiziert.

Diese Qualifikation ist für Automotive-Anwendungen ein wichtiges Auswahlkriterium. Sie ersetzt jedoch nicht die anwendungsbezogene Validierung des vollständigen Messsystems.

Wo integrierte Hochspannungsteiler besonders interessant sind

Das Einsatzgebiet reicht deutlich über die reine Batteriespannungsmessung hinaus.

In Elektro- und Hybridfahrzeugen können entsprechende Netzwerke zur Erfassung von Hochvolt-Zwischenkreisen, zur Überwachung von Spannungen im Umfeld des On-Board-Chargers und zur Spannungsmessung an Traktionswechselrichtern eingesetzt werden.

Auch industrielle Leistungselektronik, Hochvolt-DC/DC-Wandler und andere Anwendungen mit präzisen Spannungsmessungen können von abgestimmten Widerstandsnetzwerken profitieren.

Überall dort, wo hohe Spannungen auf engem Raum zuverlässig auf einen messbaren Pegel reduziert werden müssen, lohnt sich ein Blick auf diese Technologie.

Fazit: Der bessere Spannungsteiler besteht nicht unbedingt aus mehr Widerständen

Die eigentliche Innovation der KOA-Hochspannungsteiler liegt nicht allein darin, mehrere Widerstände in einem Gehäuse unterzubringen.

Entscheidend ist die Kombination aus präzise abgestimmtem Widerstandsverhältnis, geringem TCR Tracking, hoher Spannungsfestigkeit und kompakter Bauform.

Die Dünnschichtserie HVD bietet besonders hohe Verhältnispräzision. Die neue Dickschichtserie MHVD erweitert das Portfolio für Hochspannungsanwendungen bis 1.500 V.

Für Entwickler bedeutet das eine interessante Alternative zu klassischen Widerstandsketten – insbesondere dann, wenn Leiterplattenfläche, Messgenauigkeit und Fertigungsaufwand gleichzeitig optimiert werden sollen.

Technische Unterstützung durch wittig ELECTRONIC

Als Design-in-orientierter Distributor unterstützt wittig ELECTRONIC Entwicklungsabteilungen bei der Auswahl geeigneter Widerstandstechnologien und der Bewertung elektronischer Bauelemente.

Sie entwickeln eine Hochvolt-Messschaltung, ein Batteriemanagementsystem oder eine Anwendung in der Leistungselektronik?

Sprechen Sie mit unserem technischen Team über die KOA-Serien HVD und MHVD. Wir unterstützen Sie bei der Auswahl geeigneter Bauteile und der technischen Bewertung für Ihre Anwendung.

Häufig gestellte Fragen (FAQ) zu KOA HVD und MHVD Hochspannungsteilern

Was ist ein Hochspannungsteiler und wie funktioniert er?

Ein Hochspannungsteiler ist eine Widerstandsschaltung, die eine hohe Eingangsspannung proportional auf eine niedrigere, messbare Ausgangsspannung reduziert. Das Prinzip basiert auf zwei Widerständen und dem Verhältnis ihrer Widerstandswerte.

In Hochvolt-Batteriesystemen, Wechselrichtern und DC/DC-Wandlern werden Spannungsteiler eingesetzt, um beispielsweise Spannungen von 400 V oder 800 V für die elektronische Überwachung und Regelung zugänglich zu machen.

Die KOA-Serien HVD und MHVD integrieren präzise abgestimmte Widerstände in einem kompakten Bauelement und reduzieren dadurch den Aufwand gegenüber konventionellen Widerstandsketten.

Was ist der Unterschied zwischen KOA HVD und MHVD?

Der wesentliche Unterschied liegt in der verwendeten Widerstandstechnologie und den elektrischen Eigenschaften.

Die HVD-Serie basiert auf Dünnschichttechnologie (Thin Film) und bietet eine relative Widerstandstoleranz von 0,1 % sowie ein TCR Tracking von 10 ppm/K. Sie ist für besonders präzise Spannungsmessungen ausgelegt und unterstützt Arbeitsspannungen bis 1.000 V.

Die MHVD-Serie verwendet Dickschichttechnologie (Thick Film). Sie ermöglicht Arbeitsspannungen bis 1.500 V, eine relative Widerstandstoleranz von 0,25 % und ein TCR Tracking von 25 ppm/K.

Welche Serie die bessere Wahl ist, hängt von der erforderlichen Spannungsfestigkeit, Messgenauigkeit und den Umgebungsbedingungen ab.

Warum ist die relative Widerstandstoleranz bei einem Spannungsteiler so wichtig?

Bei einem Spannungsteiler bestimmt das Verhältnis der Widerstände R1 und R2 die Ausgangsspannung. Deshalb ist die Genauigkeit dieses Verhältnisses häufig wichtiger als die absolute Toleranz eines einzelnen Widerstands.

Integrierte Widerstandsnetzwerke wie KOA HVD und MHVD bieten ein definiertes und präzise abgestimmtes Widerstandsverhältnis. Dadurch lassen sich Messabweichungen reduzieren und die Genauigkeit der Spannungsmessung verbessern.

Was bedeutet TCR Tracking bei Hochspannungs-Widerstandsnetzwerken?

TCR Tracking beschreibt die Differenz der Temperaturkoeffizienten zweier Widerstände innerhalb eines Netzwerks.

Verändern sich beide Widerstandswerte bei steigender oder sinkender Temperatur nahezu gleichmäßig, bleibt ihr Verhältnis weitgehend konstant.

KOA spezifiziert für HVD ein TCR Tracking von 10 ppm/K und für MHVD 25 ppm/K. Das ist besonders für Anwendungen interessant, in denen eine stabile Spannungsmessung über einen großen Temperaturbereich erforderlich ist.

Können KOA HVD und MHVD in 800-V-Batteriesystemen eingesetzt werden?

Ja, die KOA-Hochspannungsteiler sind für Anwendungen wie die Spannungsüberwachung in Elektro- und Hybridfahrzeugen vorgesehen.

Ein von KOA dokumentiertes Anwendungsbeispiel verwendet einen MHVD-Spannungsteiler mit einem Verhältnis von 301:1. Damit wird eine Eingangsspannung von 800 V auf ungefähr 2,66 V reduziert.

Diese Ausgangsspannung kann einem geeigneten Messsystem zugeführt werden. Die vollständige Schaltung muss dabei hinsichtlich Spannungsfestigkeit, Messgenauigkeit, Eingangsschutz und funktionaler Sicherheit ausgelegt werden.

Wie viel Leiterplattenfläche lässt sich mit integrierten Hochspannungsteilern einsparen?

Nach einem Vergleich von KOA kann die benötigte Montagefläche gegenüber einer klassischen Reihenschaltung aus zehn bis vierzehn Einzelwiderständen um etwa 50 bis 70 % reduziert werden.

Neben der geringeren Leiterplattenfläche können auch der Bestückungsaufwand, die Anzahl der benötigten Komponenten und die Materialhandhabung in der Serienfertigung sinken.

Die tatsächliche Einsparung hängt vom ursprünglichen Schaltungsaufbau und den erforderlichen elektrischen Sicherheitsabständen ab.

Sind KOA HVD und MHVD für Automotive-Anwendungen qualifiziert?

Beide Serien sind laut KOA nach AEC-Q200 qualifiziert. Diese Qualifikation umfasst Anforderungen an die Zuverlässigkeit passiver elektronischer Bauelemente unter definierten Prüfbedingungen.

Für Automotive-Anwendungen wie Batteriemanagementsysteme, On-Board-Charger und Traktionswechselrichter stellt dies ein wichtiges Auswahlkriterium dar.

Die AEC-Q200-Qualifikation ersetzt jedoch nicht die notwendige Validierung des Bauelements innerhalb der konkreten Anwendung.

Was muss bei einem Hochspannungsteiler mit 1.500 V beachtet werden?

Bei hohen Spannungen müssen neben der maximalen Arbeitsspannung auch die Verlustleistung, Kriech- und Luftstrecken, thermisches Derating und die Anforderungen an die Isolationskoordination berücksichtigt werden.

Die KOA-MHVD-Serie ist für eine maximale Arbeitsspannung von 1.500 V spezifiziert. Die vom Hersteller angegebene Kriechstrecke beträgt 12,5 mm und wird unter den genannten Bedingungen gemäß IEC 60664-1 für 1.250 V bei Verschmutzungsgrad 2 bewertet.

Die Eignung für eine konkrete Anwendung muss deshalb anhand der vollständigen Herstellerspezifikation und der geltenden Sicherheitsanforderungen geprüft werden.

Wo werden KOA-Hochspannungsteiler eingesetzt?

Typische Einsatzgebiete sind Batteriemanagementsysteme (BMS), Elektro- und Hybridfahrzeuge, On-Board-Charger, Traktionswechselrichter, Hochvolt-DC/DC-Wandler und industrielle Leistungselektronik.

Insbesondere dort, wo hohe Spannungen präzise überwacht werden müssen und gleichzeitig wenig Leiterplattenfläche zur Verfügung steht, können integrierte Hochspannungs-Widerstandsnetzwerke Vorteile bieten.

Wo erhalte ich technische Unterstützung bei der Auswahl von KOA HVD und MHVD?

wittig ELECTRONIC unterstützt Entwickler und Unternehmen bei der Auswahl geeigneter Widerstandstechnologien und elektronischer Bauelemente.

Unser technisches Team hilft bei der Bewertung relevanter Parameter wie Arbeitsspannung, Widerstandsverhältnis, Temperaturverhalten, Verlustleistung und Bauform.

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