Isolation in DC-DC-Wandlern verstehen
14.08.2019
Die Isolation in DC/DC-Wandlern hat viele verschiedene Zwecke neben dem Schutz vor einem elektrischen Schlag. Dieser Artikel erklärt die verschiedenen Stufen der Isolation und wie sie in typischen DC/DC-Wandlern geringer Leistung umgesetzt werden.
Obwohl DC-DC-Wandler ohne Eingangs-Ausgangs-Isolation erhältlich sind, verwenden viele einen internen Transformator zur elektrischen (galvanischen) Trennung von Eingang und Ausgang. Das macht DC-DC-Wandler sehr vielseitig. Ausgänge, die bezüglich des Eingangs schweben, bedeuten, dass Erdschleifen getrennt werden können, um Störungen in elektrischen Systemen zu mindern. Die Ausgangspolarität ist frei wählbar. Die Isolationsbarriere kann ein wichtiges Sicherheitselement bilden, um elektrischen Schlag zu verhindern und andere Gefahren durch Fehlerzustände zu verringern.
Weil der Ausgang vom Eingang isoliert ist, ist auch die Wahl der Referenzspannung ‚Null‘ für die Eingangs- oder Ausgangsseite willkürlich. Beispielsweise kann ein isolierter DC-DC-Wandler mit 5V Ausgangsspannung zum Wechsel der Spannungswerte und Polarität (z.B. +5V aus -48V Eingang) verwendet werden, als Zusatz zu einer vorhanden Spannung (z.B. für +20V aus einer Versorgung mit +15V) oder für einen doppelten Ausgang aus einem einfachen Eingang (z.B. ±5V aus +5V). Abbildung 1 zeigt einige Möglichkeiten.
Abbildung 1: Verschiedene Wege zur Nutzung eines isolierten DC-DC-Wandlers
Der Isolationsgrad hängt von der Robustheit der Isolationsbarriere ab. Für DC-DC-Wandler sind die gebräuchlichsten Klassen:
Wie sehen nun diese Klassen in der praktischen Konstruktion des Wandlers aus?
Funktionale Isolation
Für funktionale Isolation sind die Primär- und Sekundärwicklungen des Transformators üblicherweise direkt übereinander gewickelt und vertrauen auf die Dicke der Lackisolation des Drahtes (Abbildung 2). Diese Methode ist kostengünstig und ermöglicht einen sehr kompakten Transformator, der trotz der geringen Größe bis zu 4kV DC Isolationsspannung in Tests widerstehen kann, aber nur mit begrenzter Dauer und als nicht wiederholender Test.
Abbildung 2: Ringkerntransformator mit funktionaler Isolation
Typische Anwendungen von Wandlern mit funktionaler Isolation sind unkritische Systeme, wo die Isolation primär zum Trennen von Erdschleifen, zum Sperren leitungsgebundener Störungen oder für eine Änderung der funktionalen Erdungs-Referenzspannung dient. In solchen Anwendungen würde ein Ausfallen der Isolation keine Verletzungen oder größeren Schäden an der Ausrüstung verursachen und häufig nicht einmal den Betrieb unterbrechen. Die Isolation bietet zusätzlichen Schutz vor Störungen oder höhere Zuverlässigkeit, ist aber nicht sicherheitsrelevant.
Ein gutes Beispiel ist ein CAN-Bus Datenkommunikationssystem. Die CAN-Bus-Spezifikation verlangt nicht, dass die Bus-Verdrahtung isoliert sein muss, praktisch beseitigt die Isolation der Schnittstelle aber viele mögliche Fehler- oder Störquellen bei der Datenübertragung. Da beide Seiten des Buses isoliert sind, können Sender und Empfänger problemlos verschiedene Erdungspotentiale haben. Alle elektrischen Störungen werden durch die differentielle Bus-Topologie ignoriert, und es besteht keine Gefahr, dass externe Felder einen Gesamtstromfluss in der Verdrahtung induzieren. Das ist einer der Gründe, warum isolierte CAN-Bus-Systeme häufig in großen automatisierten Industrieanlagen und Produktionsprozessen verwendet werden. Abbildung 3 zeigt eine Evaluierungs-Platine mit einem SMD DC-DC-Wandler von RECOM zur Bereitstellung der isolierten Bus-Stromversorgung [1].
Abbildung 3: Isolierte CAN-Bus Evaluierungs-Platine
Basis-Isolation
Die Basis-Isolation erfordert eine sichere Isolation zwischen den Primär- und Sekundärwicklungen gemäß der Systemspannung – die Lackisolierung auf dem Wicklungsdraht ist unzureichend, da es Nadellöcher geben kann. In einem Transformator mit Basis-Isolation sind die Eingangs- und Ausgangswicklungen nicht direkt übereinander gewickelt, sondern mit einem Mindestabstand oder einer physischen Barriere wie einer zugelassenen Isolierfolie voneinander getrennt (Abbildung 4).
Diese Methode kann in größeren Transformatoren verwendet werden, wo genügend Platz für zusätzliche Folienschichten zwischen den Wicklungen ist.
Abbildung 4: Spulentransformator mit Basis-Isolation
Für kompakte DC-DC-Wandler müssen Wege für eine Basis-Isolation gefunden werden, ohne den Transformator zu groß zu machen. Abbildung 5 zeigt einen Transformator mit einer Trennbrücke zur physischen Trennung der Wicklungen. Zusätzlich ist der Ferritkern kunststoffbeschichtet, sodass er auch unabhängig von den Wicklungen isoliert ist. Die Baureihen RxxPxx und RxxP2xx von RECOM nutzen diese Konstruktion, die in der Praxis bis zu 6,4kV DC geprüft ist, in einem kompakten SIP8-Gehäuse (19,5 x 12,5 x 9,8mm).
Abbildung 5: Transformator mit Brücken-Design
Es gibt auch die Möglichkeit, einen Transformator mit Basis-Isolation mit einem vergossenen Kern zu konstruieren. Bei dieser Methode wird der Ferritkern mit einer Wicklung (normalerweise der Primärwicklung) in einen Kunststoffbehälter gepackt und dann mit Epoxidharz ausgegossen. Dann wird ein Deckel angebracht und die Sekundärwicklung um die Gesamtkonstruktion und durch das Loch in der Mitte gewickelt (Abbildung 6). Die Isolation hängt nicht vom Lack der Transformatordrähte ab, sondern wird unabhängig durch das Kunststoffgehäuse und die Epoxidharz-Füllung gewährleistet. Herstellungsprozesse stellen sicher, dass die Qualität und Dicke von Epoxidharz und Deckel die behördlichen Mindestanforderungen für Basis-Isolation bei der Nennspannung des Systems erfüllen.
Abbildung 6: Transformator mit vergossenem Kern
Die Baureihe RP-xxxx von RECOM nutzt diese Konstruktionsweise, um Wandler mit einer Einstufung für 5,2kV DC Isolationsprüfspannung in einem kompakten SIP7-Gehäuse anzubieten (19,6 x 10,2 x 7mm). Auch wenn die Herstellung komplexer ist, ermöglicht die Methode mit ‘vergossenem Kern’ einen sehr kompakten Transformator mit einer zuverlässigen und konsistenten Isolation, die sich auch mit der Zeit nicht verschlechtert. Daher gehört die RP-Baureihe zu den zuverlässigsten DC-DC-Wandlern mit hoher Isolation im Angebot von RECOM. Sie kommen in vielen anspruchsvollen Anwendungen von Militärflugzeugen bis zu Hochspannungs-Prüftechnik zum Einsatz.
Verstärkte Isolation
Bei verstärkter Isolation sind die Eingangs- und Ausgangswicklungen über eine größere Entfernung oder durch mindestens zwei physische Barrieren voneinander getrennt, die jeweils der Einstufung für Basis-Isolation äquivalent sind (Abbildung 7).
Abbildung 7: Beispiel eines Transformators mit verstärkter Isolation mit einer primären sowie einer ergänzenden Isolationsschicht (im Diagramm als dicke schwarze Linien dargestellt)
Die mehreren Isolationsschichten machen den Transformator jedoch massiger, was die Möglichkeiten der Miniaturisierung begrenzt. Ein Ausweg ist die Verwendung von dreifach isolierten Transformatorendrähten (TIW), die bereits für eine verstärkte Isolation klassifiziert sind. Mit solchen Drähten hat RECOM die Baureihe REM1 von DC-DC-Wandlern in einem SIP7-Gehäuse entwickelt, die für Medizintechnik gemäß IEC/EN/UL 60601-1 Sicherheitsstandard mit einer Isolation 4 kV AC/1 Minute zertifiziert sind sowie über 2 x MOPP (Maßnahmen zum Patientenschutz) und 250 V AC Betriebsspannungsisolation verfügen.
Abbildung 8: RECOM REM1 DC-DC-Wandler für Medizintechnik in einem kompakten SIP7-Gehäuse
Literaturverweise 1. www.recom-power.com
RECOM: We Power your Products
Weil der Ausgang vom Eingang isoliert ist, ist auch die Wahl der Referenzspannung ‚Null‘ für die Eingangs- oder Ausgangsseite willkürlich. Beispielsweise kann ein isolierter DC-DC-Wandler mit 5V Ausgangsspannung zum Wechsel der Spannungswerte und Polarität (z.B. +5V aus -48V Eingang) verwendet werden, als Zusatz zu einer vorhanden Spannung (z.B. für +20V aus einer Versorgung mit +15V) oder für einen doppelten Ausgang aus einem einfachen Eingang (z.B. ±5V aus +5V). Abbildung 1 zeigt einige Möglichkeiten.
Abbildung 1: Verschiedene Wege zur Nutzung eines isolierten DC-DC-Wandlers
Der Isolationsgrad hängt von der Robustheit der Isolationsbarriere ab. Für DC-DC-Wandler sind die gebräuchlichsten Klassen:
- Funktional – der Ausgang ist isoliert, es besteht jedoch kein Schutz vor elektrischem Schlag
- Basis – die Isolation schützt vor elektrischem Schlag, sofern die Barriere intakt ist
- Ergänzend – eine zusätzliche Barriere gegenüber der Basisisolation, die behördlich wegen Redundanz gefordert wird
- Verstärkt – eine Einzelbarriere, die äquivalent zu zwei Ebenen der Basisisolation ist
Wie sehen nun diese Klassen in der praktischen Konstruktion des Wandlers aus?
Funktionale Isolation
Für funktionale Isolation sind die Primär- und Sekundärwicklungen des Transformators üblicherweise direkt übereinander gewickelt und vertrauen auf die Dicke der Lackisolation des Drahtes (Abbildung 2). Diese Methode ist kostengünstig und ermöglicht einen sehr kompakten Transformator, der trotz der geringen Größe bis zu 4kV DC Isolationsspannung in Tests widerstehen kann, aber nur mit begrenzter Dauer und als nicht wiederholender Test.
Abbildung 2: Ringkerntransformator mit funktionaler Isolation
Typische Anwendungen von Wandlern mit funktionaler Isolation sind unkritische Systeme, wo die Isolation primär zum Trennen von Erdschleifen, zum Sperren leitungsgebundener Störungen oder für eine Änderung der funktionalen Erdungs-Referenzspannung dient. In solchen Anwendungen würde ein Ausfallen der Isolation keine Verletzungen oder größeren Schäden an der Ausrüstung verursachen und häufig nicht einmal den Betrieb unterbrechen. Die Isolation bietet zusätzlichen Schutz vor Störungen oder höhere Zuverlässigkeit, ist aber nicht sicherheitsrelevant.
Ein gutes Beispiel ist ein CAN-Bus Datenkommunikationssystem. Die CAN-Bus-Spezifikation verlangt nicht, dass die Bus-Verdrahtung isoliert sein muss, praktisch beseitigt die Isolation der Schnittstelle aber viele mögliche Fehler- oder Störquellen bei der Datenübertragung. Da beide Seiten des Buses isoliert sind, können Sender und Empfänger problemlos verschiedene Erdungspotentiale haben. Alle elektrischen Störungen werden durch die differentielle Bus-Topologie ignoriert, und es besteht keine Gefahr, dass externe Felder einen Gesamtstromfluss in der Verdrahtung induzieren. Das ist einer der Gründe, warum isolierte CAN-Bus-Systeme häufig in großen automatisierten Industrieanlagen und Produktionsprozessen verwendet werden. Abbildung 3 zeigt eine Evaluierungs-Platine mit einem SMD DC-DC-Wandler von RECOM zur Bereitstellung der isolierten Bus-Stromversorgung [1].
Abbildung 3: Isolierte CAN-Bus Evaluierungs-Platine
Basis-Isolation
Die Basis-Isolation erfordert eine sichere Isolation zwischen den Primär- und Sekundärwicklungen gemäß der Systemspannung – die Lackisolierung auf dem Wicklungsdraht ist unzureichend, da es Nadellöcher geben kann. In einem Transformator mit Basis-Isolation sind die Eingangs- und Ausgangswicklungen nicht direkt übereinander gewickelt, sondern mit einem Mindestabstand oder einer physischen Barriere wie einer zugelassenen Isolierfolie voneinander getrennt (Abbildung 4).
Diese Methode kann in größeren Transformatoren verwendet werden, wo genügend Platz für zusätzliche Folienschichten zwischen den Wicklungen ist.
Abbildung 4: Spulentransformator mit Basis-Isolation
Für kompakte DC-DC-Wandler müssen Wege für eine Basis-Isolation gefunden werden, ohne den Transformator zu groß zu machen. Abbildung 5 zeigt einen Transformator mit einer Trennbrücke zur physischen Trennung der Wicklungen. Zusätzlich ist der Ferritkern kunststoffbeschichtet, sodass er auch unabhängig von den Wicklungen isoliert ist. Die Baureihen RxxPxx und RxxP2xx von RECOM nutzen diese Konstruktion, die in der Praxis bis zu 6,4kV DC geprüft ist, in einem kompakten SIP8-Gehäuse (19,5 x 12,5 x 9,8mm).
Abbildung 5: Transformator mit Brücken-Design
Es gibt auch die Möglichkeit, einen Transformator mit Basis-Isolation mit einem vergossenen Kern zu konstruieren. Bei dieser Methode wird der Ferritkern mit einer Wicklung (normalerweise der Primärwicklung) in einen Kunststoffbehälter gepackt und dann mit Epoxidharz ausgegossen. Dann wird ein Deckel angebracht und die Sekundärwicklung um die Gesamtkonstruktion und durch das Loch in der Mitte gewickelt (Abbildung 6). Die Isolation hängt nicht vom Lack der Transformatordrähte ab, sondern wird unabhängig durch das Kunststoffgehäuse und die Epoxidharz-Füllung gewährleistet. Herstellungsprozesse stellen sicher, dass die Qualität und Dicke von Epoxidharz und Deckel die behördlichen Mindestanforderungen für Basis-Isolation bei der Nennspannung des Systems erfüllen.
Abbildung 6: Transformator mit vergossenem Kern
Die Baureihe RP-xxxx von RECOM nutzt diese Konstruktionsweise, um Wandler mit einer Einstufung für 5,2kV DC Isolationsprüfspannung in einem kompakten SIP7-Gehäuse anzubieten (19,6 x 10,2 x 7mm). Auch wenn die Herstellung komplexer ist, ermöglicht die Methode mit ‘vergossenem Kern’ einen sehr kompakten Transformator mit einer zuverlässigen und konsistenten Isolation, die sich auch mit der Zeit nicht verschlechtert. Daher gehört die RP-Baureihe zu den zuverlässigsten DC-DC-Wandlern mit hoher Isolation im Angebot von RECOM. Sie kommen in vielen anspruchsvollen Anwendungen von Militärflugzeugen bis zu Hochspannungs-Prüftechnik zum Einsatz.
Verstärkte Isolation
Bei verstärkter Isolation sind die Eingangs- und Ausgangswicklungen über eine größere Entfernung oder durch mindestens zwei physische Barrieren voneinander getrennt, die jeweils der Einstufung für Basis-Isolation äquivalent sind (Abbildung 7).
Abbildung 7: Beispiel eines Transformators mit verstärkter Isolation mit einer primären sowie einer ergänzenden Isolationsschicht (im Diagramm als dicke schwarze Linien dargestellt)
Die mehreren Isolationsschichten machen den Transformator jedoch massiger, was die Möglichkeiten der Miniaturisierung begrenzt. Ein Ausweg ist die Verwendung von dreifach isolierten Transformatorendrähten (TIW), die bereits für eine verstärkte Isolation klassifiziert sind. Mit solchen Drähten hat RECOM die Baureihe REM1 von DC-DC-Wandlern in einem SIP7-Gehäuse entwickelt, die für Medizintechnik gemäß IEC/EN/UL 60601-1 Sicherheitsstandard mit einer Isolation 4 kV AC/1 Minute zertifiziert sind sowie über 2 x MOPP (Maßnahmen zum Patientenschutz) und 250 V AC Betriebsspannungsisolation verfügen.
Abbildung 8: RECOM REM1 DC-DC-Wandler für Medizintechnik in einem kompakten SIP7-Gehäuse
Literaturverweise 1. www.recom-power.com
RECOM: We Power your Products
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