Widerstände für HVDC und hohe Pulsbelastungen 800 Volt und hohe Pulsenergie verändern die Rolle des Widerstands

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Firstohm

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KI-Rechenzentren, E-Mobility und Energiespeicher erhöhen Spannung, Leistung und Pulsbelastung. Firstohm entwickelt MELF- und Spezialwiderstände, die unter diesen Bedingungen nicht nur ihren Nennwert halten, sondern langfristig zuverlässig funktionieren müssen.

Ein Widerstand gehört zu den Bauteilen, über die Entwickler normalerweise nicht lange reden wollen. Widerstandswert, Toleranz, Leistung, Bauform – auswählen, eindesignen, fertig. In vielen modernen Leistungssystemen funktioniert diese Betrachtung allerdings nicht mehr so einfach.

Wenn Spannung und Leistungsdichte steigen, steigen auch die Belastungen für die passiven Komponenten. Dazu kommen Lastwechsel, Einschaltvorgänge, Entladeimpulse, Temperaturzyklen und lange Betriebszeiten. Ein Widerstand muss dann nicht nur im stationären Zustand den richtigen Wert besitzen. Entscheidend wird, was während eines kurzen, energiereichen Ereignisses passiert – und ob sich sein Verhalten nach tausenden solcher Ereignisse verändert.

Besonders deutlich wird das bei 800-V-HVDC-Architekturen für KI-Rechenzentren. Dort speichern Zwischenkreis- oder Buskondensatoren erhebliche Energie. Nach dem Abschalten muss die verbleibende Spannung kontrolliert abgebaut werden. Der Entladewiderstand übernimmt damit eine Aufgabe, die auf dem Schaltplan klein aussieht, für die Sicherheit des Systems aber nicht nebensächlich ist. Firstohm adressiert solche Anwendungen inzwischen ausdrücklich mit surge-festen MELF-Widerständen. Für den SRM301 beschreibt das Unternehmen beispielsweise Tests unter wiederholten Hochspannungs-Entladebedingungen.

Für Firstohm ist das zugleich Teil eines längeren Wandels. Im Gespräch beschreibt der taiwanische Hersteller, wie sich das Unternehmen über Jahrzehnte von klassischen Elektronikanwendungen in Richtung E-Mobility, erneuerbare Energien, industrielle Stromversorgungen und inzwischen AI-Infrastruktur bewegt hat. Der Übergang sei nicht plötzlich erfolgt: „Das hat ungefähr 30 Jahre gedauert“, sagt S. Y. Lee, General Manager von Firstohm, mit dem wir uns in Taipeh unterhalten haben.

Der Widerstandswert allein sagt immer weniger aus

Für moderne Leistungselektronik nennt Firstohm drei Entwicklungen, die besonders stark auf Widerstände durchschlagen: höhere Systemspannungen, höhere Leistungsdichten und dynamischere Belastungen.

Damit steigen die Anforderungen an Puls- und Surge-Festigkeit. Ein Widerstand kann seine spezifizierte Dauerleistung problemlos vertragen und trotzdem durch einen sehr kurzen Energieimpuls geschädigt werden. Ebenso kann ein Bauteil einen einzelnen Puls überstehen, sich aber bei wiederholter Belastung langfristig verändern.

Firstohm sieht Widerstände deshalb zunehmend nicht mehr nur als Bauteile zur Strom- oder Spannungsbegrenzung. Gerade in Leistungssystemen werden sie Teil des Schutz- und Stabilitätskonzepts. Gefordert sind höhere Surge-Energien, bessere Pulsfestigkeit, thermische Stabilität und ein möglichst geringer Drift des Widerstandswerts über lange Betriebszeiten. Ein Datenblattwert beantwortet damit nur einen Teil der Frage. Entscheidend ist, welcher Belastung der Widerstand in der konkreten Schaltung tatsächlich ausgesetzt wird.

Realer Betrieb ist unangenehmer als der Nennfall

Firstohm beobachtet deshalb einen Wechsel hin zu einer stärker an der Anwendung orientierten Bauteilauswahl. Kunden betrachten nicht mehr ausschließlich nominale Datenblattwerte, sondern Lasttransienten, Surge-Ereignisse und thermische Belastungen im realen Betrieb. Dadurch gewinnt die Validierung auf Systemebene an Bedeutung. Der Widerstand wird nicht nur danach beurteilt, ob er unter definierten Laborbedingungen seine Spezifikation erfüllt. Entscheidend ist, wie stabil er sich in der tatsächlichen Anwendung verhält.

Gerade europäische Kunden stellen nach Aussage des Unternehmens hohe Anforderungen an diese Langzeitstabilität. Hohe Temperaturen, Feuchtigkeit, Temperaturzyklen und lange Einsatzzeiten gehören zu den Randbedingungen, die häufiger abgefragt werden. Dazu kommen belastbare Zuverlässigkeitsdaten für Anwendungen, bei denen ein Ausfall nicht einfach nur einen Funktionsverlust bedeutet, sondern beispielsweise eine Energieversorgung oder industrielle Anlagen betrifft.

Das ist auch eine Frage des Widerstandsdrifts. Ein Präzisionswiderstand ist wenig hilfreich, wenn sein Wert zu Beginn exakt stimmt, sich unter thermischer und elektrischer Belastung aber über die Lebensdauer zu weit verschiebt. Zuverlässigkeit ist deshalb nicht einfach die Frage, ob ein Bauteil ausfällt oder nicht. Dazwischen liegt ein großer Bereich, in dem das Bauteil noch funktioniert, seine ursprünglichen Eigenschaften aber langsam verliert.

MELF ist alt – und passt trotzdem zu neuen Anwendungen

Firstohm beschäftigt sich seit Jahrzehnten mit MELF‑Widerständen. Das Unternehmen wurde 1969 gegründet und gehört nach eigenen Angaben zu den wenigen Herstellern, die kundenspezifische Dünnschicht-MELF-Widerstände entwickeln. MELF steht für Metal Electrode Leadless Face. Anders als der klassische rechteckige Chipwiderstand besitzt das Bauteil einen zylindrischen Körper mit metallisierten Enden und lässt sich trotzdem automatisiert als SMD verarbeiten.

Neu ist MELF nicht. Aber einige Eigenschaften der Bauform passen ziemlich gut zu Anforderungen, die gerade wieder stärker ins Gewicht fallen. Firstohm setzt unter anderem drahtgewickelte MELF-Strukturen ein, wenn hohe Surge-Belastbarkeit gefordert ist. Bei der SWM-Serie wird beispielsweise Widerstandsdraht um einen Keramikkörper gewickelt. Die Bauform ist auf hohe Puls- und Einschaltstrombelastungen ausgelegt und wird unter anderem für Elektrofahrzeuge und Energiespeicher angeboten.

Dabei geht es nicht darum, MELF pauschal zum besseren Widerstand zu erklären. Unterschiedliche Anwendungen brauchen unterschiedliche Technologien. Aber dort, wo Pulsenergie, thermische Belastung, Vibration und Langzeitstabilität zusammenkommen, kann die mechanische und thermische Konstruktion der Bauform relevant werden. Gerade bei Komponenten, die im Normalbetrieb wenig Aufmerksamkeit bekommen, entscheidet sich ihre Eignung häufig in den Ausnahmezuständen.

KI bringt eine Belastung zurück, die vorher kaum jemand verlangte

Besonders interessant ist deshalb eine Bemerkung Lees zur aktuellen KI‑Nachfrage. Vor zwei oder drei Jahren hat Firstohm den heutigen Bedarf an hohen Spannungen und Leistungen in diesem Bereich noch nicht gesehen. Das hat sich geändert.

„In letzter Zeit sehen wir einen Anstieg bei hoher Leistung und 800 V HVDC“, beschreibt er die Entwicklung. Firstohm führt das auf höhere Leistungsdichten, höhere Spannungen und die damit verbundenen Anforderungen an Surge-Festigkeit zurück. Ein konkretes Beispiel ist der Bleeder- oder Entladewiderstand in HVDC‑Architekturen. Buskondensatoren müssen nach dem Abschalten innerhalb einer vorgegebenen Zeit auf ein sicheres Spannungsniveau entladen werden. Der Widerstand muss dabei kurzfristig hohe Energie aufnehmen.

Firstohm beschreibt für den SRM301 unter anderem einen Test mit 800 V DC und 60 µF Kapazität. Nach wiederholten Lade- und Entladezyklen lag die dokumentierte Widerstandsänderung bei 0,035 Prozent. Das Unternehmen nennt KI‑Server, Strommodule, DC-Link-Entladung, Energiespeicher und Battery Backup Units als Anwendungen.

Eine weitere von Firstohm veröffentlichte BBU-Anwendung geht noch weiter: Dort wurde ein SRM301-Verbund unter realen Kundenbedingungen mit wiederholten Entladevorgängen geprüft. Entscheidend ist weniger die einzelne Zahl als die Entwicklungsrichtung dahinter. Der Widerstand soll seine Eigenschaften nicht nur beim ersten Puls behalten. Er muss das immer wieder tun.

Erneuerbare Energien und E-Mobility stellen ähnliche Fragen

KI ist ein neuer Wachstumstreiber, aber nicht der einzige. Im Gespräch nennt Firstohm erneuerbare Energien als aktuell wichtigen Nachfragetreiber. Hinzu kommen Smart Meter, Elektrofahrzeuge, industrielle Stromversorgungen, Photovoltaik-Wechselrichter und Energiespeichersysteme. Die Anwendungen unterscheiden sich deutlich, die Belastungen teilweise weniger.

Ein Wechselrichter sieht andere Betriebszustände als ein KI‑Server. Ein Elektrofahrzeug wiederum hat andere Umwelt- und Lebensdaueranforderungen. Trotzdem tauchen ähnliche Fragen immer wieder auf: Wie verhält sich der Widerstand bei schnellen Laständerungen? Welche Pulsenergie muss er verkraften? Und bleibt sein Wert über Jahre innerhalb der geforderten Grenzen?

Das erklärt auch, warum Firstohm seine Entwicklung nicht ausschließlich auf Präzision konzentriert. Präzision bleibt ein Teil des Portfolios, gleichzeitig gewinnen Surge-Festigkeit, hohe Leistung und thermische Eigenschaften an Gewicht. Seit dem vorherigen Gespräch zur electronica im Jahr 2024 hat das Unternehmen insbesondere die surge-festen Serien SRM und SWM weiterentwickelt und seine Testmöglichkeiten für energiereiche Puls- und Surge-Belastungen erweitert. Parallel dazu würden Lösungen für Energiespeicher, PV-Wechselrichter, Ladeinfrastruktur und HVDC-Stromversorgung ausgebaut.

Höhere Zuverlässigkeit bedeutet auch mehr Testaufwand

Das führt zu einer eher unspektakulären Konsequenz: Wer reale Belastungen versprechen will, muss reale Belastungen testen können. Für einen Hersteller bedeutet das zusätzliche Prüfungen mit Pulsen, Surge-Ereignissen, Temperaturzyklen und wiederholten Lastzuständen. Firstohm erwartet deshalb, dass sich die Entwicklung in den kommenden Jahren weiter in Richtung höherer Leistungsdichten, höherer Systemspannungen und extremer transienter Belastungen verschiebt. Gleichzeitig sollen Widerstände kleiner werden und ihren Wert langfristig stabil halten.

Das sind teilweise widersprüchliche Anforderungen.

Mehr Pulsenergie lässt sich leichter in einem größeren Bauteil verteilen. Mehr Oberfläche hilft bei der Wärmeabfuhr. Gleichzeitig wollen Entwickler genau diese Fläche sparen. Auch beim Widerstand gibt es deshalb keinen kostenlosen Weg zu höherer Leistungsdichte.

Der KI-Boom erreicht inzwischen auch die Lieferzeiten

Dass sich der Markt verändert, zeigt sich nicht nur an Entwicklungsanfragen. Firstohm berichtet inzwischen auch von längeren Lieferzeiten. Nach Aussage des Geschäftsführers lag die eigene Lieferzeit früher typischerweise bei vier bis sechs Wochen. Inzwischen seien es eher acht bis zehn Wochen. Bei einem großen Wettbewerber beobachtete das Unternehmen sogar Lieferzeiten von mehr als 20 Wochen.

Daraus lässt sich noch keine allgemeine Widerstandsknappheit ableiten. Dafür ist der Markt zu breit und die Aussage eines einzelnen Herstellers zu begrenzt. Sie zeigt aber, dass die steigende Nachfrage nach spezialisierten passiven Komponenten nicht folgenlos bleibt. KI-Infrastruktur benötigt nicht nur GPUs, Speicher, Kondensatoren und Leistungshalbleiter. Rund um diese auffälligen Bauteile sitzt eine große Zahl unscheinbarer Komponenten, deren Anforderungen ebenfalls steigen.

Manche davon lassen sich nicht beliebig ersetzen.

Der Ausnahmezustand entscheidet über den Widerstand

Widerstände bleiben einfache Bauteile – zumindest auf dem Schaltplan. Ihre Aufgabe wird deshalb nicht plötzlich kompliziert, weil Rechenzentren gebaut werden oder Fahrzeuge auf höhere Spannungsebenen wechseln. Komplizierter werden aber die Bedingungen.

800 V, hohe Pulsenergie, schnelle Lastwechsel und wenig Bauraum verändern nicht das Ohmsche Gesetz. Sie verändern aber sehr deutlich, welcher Widerstand eine Anwendung überlebt und wie lange seine Eigenschaften stabil bleiben. Genau deshalb reicht der Blick auf Nennleistung und Widerstandswert immer seltener aus. Entwickler müssen wissen, was zwischen den normalen Betriebspunkten passiert: beim Einschalten, beim Abschalten, während eines Surge-Ereignisses oder nach tausenden Temperatur- und Lastwechseln.

Der Widerstand ist dabei weiterhin eines der kleineren Bauteile im System. Ob er geeignet ist, entscheidet sich aber zunehmend in den Momenten, in denen das System gerade nicht im Normalzustand arbeitet. (sb)

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