Isolierte DC/DC-Wandler: Konzepte, Anwendungen und Sicherheitsstandards
05.02.2019
Es geht um Konzepte, die gewünschte Isolation in DC/DC-Wandlern zu schaffen, die in kritischen Anwendungen eingesetzt werden, wo ein höheres Maß an Isolation und damit ein höheres Maß an Sicherheit unabdingbar ist.
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Über DC/DC-Wandler
DC/DC-Wandler sind Stromversorgungen, die eine Gleichspannung (DC) in eine andere umwandeln. Im Wesentlichen funktionieren sie ähnlich wie Trenn-, Aufwärts- oder Abwärtstransformatoren – jedoch für Gleichstrom anstelle von Wechselstrom (AC).
Da Transformatoren nur mit Wechselstrom arbeiten, erfolgt die Umwandlung in DC/DC-Wandlern intern über eine DC-zu-AC-zu-DC-Stufe.
Da Transformatoren nur mit Wechselstrom arbeiten, erfolgt die Umwandlung in DC/DC-Wandlern intern über eine DC-zu-AC-zu-DC-Stufe.
Abb. 1: Prinzipieller Aufbau eines DC/DC-Wandlers
Isolierte DC/DC-Wandler
Obwohl einige DC/DC-Wandler ohne Isolierung zwischen Eingang und Ausgang arbeiten, verwenden die meisten einen internen Transformator, der eine elektrische (galvanische) Trennung zwischen Ein- und Ausgang bietet. Der isolierte Ausgang kann als potenzialfreie Stromquelle dienen oder zur Erzeugung unterschiedlicher Spannungsschienen und/oder dualer Polaritätsschienen verwendet werden (siehe Abbildung 2). Da der Ausgang vom Eingang getrennt ist, kann die Referenzspannung auf beiden Seiten frei gewählt werden (siehe Abbildung 3).
Ein DC/DC-Wandler kann zum Beispiel die Polarität umkehren (z.B. –5V Ausgang bei +5V Eingang), eine Spannung addieren (z.B. +12V aus einer +5V-Versorgung) oder duale Ausgänge aus einer einzigen Versorgung erzeugen (z.B. ±5V aus einer 12V-Batterie). Diese Vielseitigkeit macht DC/DC-Wandler äußerst flexibel. Potenzialfreie Ausgänge sind besonders vorteilhaft: Die Isolation unterbricht Masseschleifen und reduziert dadurch elektrische Störungen, erlaubt eine flexible Wahl der Ausgangspolarität und dient zudem als wichtige Sicherheitsbarriere gegen Stromschlag oder Kurzschluss.
Abb. 2: Beispielhafte DC/DC-Versorgungskonfigurationen
Ein DC/DC-Wandler kann zum Beispiel die Polarität umkehren (z.B. –5V Ausgang bei +5V Eingang), eine Spannung addieren (z.B. +12V aus einer +5V-Versorgung) oder duale Ausgänge aus einer einzigen Versorgung erzeugen (z.B. ±5V aus einer 12V-Batterie). Diese Vielseitigkeit macht DC/DC-Wandler äußerst flexibel. Potenzialfreie Ausgänge sind besonders vorteilhaft: Die Isolation unterbricht Masseschleifen und reduziert dadurch elektrische Störungen, erlaubt eine flexible Wahl der Ausgangspolarität und dient zudem als wichtige Sicherheitsbarriere gegen Stromschlag oder Kurzschluss.
Abb. 2: Beispielhafte DC/DC-Versorgungskonfigurationen
Isolationsklassen in DC/DC-Wandlern
Es gibt drei Hauptklassen der Isolierung:
Wie lassen sich diese Definitionen nun im praktischen Transformatorenbau umsetzen?
- Operative oder Funktionale Isolierung (der Ausgang ist isoliert, aber es gibt keinen Fehlerschutz)
- Basisisolierung (der Transformator bietet einen Einzelfehlerschutz)
- Verstärkte Isolierung (zwei unabhängige Isolationsmittel, die doppelten Fehlerschutz bieten)
Wie lassen sich diese Definitionen nun im praktischen Transformatorenbau umsetzen?
Operative/Funktionale Isolierung
Die Eingangs- und Ausgangswicklungen sind direkt übereinander auf einen Ringkern gewickelt, wobei die Isolation durch die Dicke des Drahtlacks gewährleistet wird (siehe Abbildung 3). Dieses Design ermöglicht einen sehr kompakten Transformator, der trotz seiner geringen Größe einer Isolationsspannungsprüfung von bis zu 4kVDC für eine Sekunde standhält (z. B. RFMM, RKE-Serie).
Eine weitere Konstruktionsmethode für Transformatoren besteht darin, die Eingangs- und Ausgangswicklungen auf einen isolierenden Spulenkern zu wickeln (siehe Abbildung 4). Zwar beruht dieses Verfahren weiterhin auf der Lackisolierung der Drähte, doch der Kunststoffspulenkern sorgt zusätzlich für Isolation, indem er den leitfähigen Ferritkern von den Wicklungen trennt. Dieses Design ermöglicht einen kompakten Transformator, der mehr Leistung liefern kann und Isolationsspannungen von bis zu 6kVDC für eine Sekunde standhält (z. B. REC5/H6-Serie).
Eine weitere Konstruktionsmethode für Transformatoren besteht darin, die Eingangs- und Ausgangswicklungen auf einen isolierenden Spulenkern zu wickeln (siehe Abbildung 4). Zwar beruht dieses Verfahren weiterhin auf der Lackisolierung der Drähte, doch der Kunststoffspulenkern sorgt zusätzlich für Isolation, indem er den leitfähigen Ferritkern von den Wicklungen trennt. Dieses Design ermöglicht einen kompakten Transformator, der mehr Leistung liefern kann und Isolationsspannungen von bis zu 6kVDC für eine Sekunde standhält (z. B. REC5/H6-Serie).
Abb. 3: Beispiel eines Ringkerntransformators
Abb. 4: Beispiel eines Spulentransformators
Basisisolierung
Bei einem Spulentransformator sind die Eingangs- und Ausgangswicklungen nicht direkt übereinander gewickelt, sondern durch eine unabhängige Barriere, z. B. eine Isolierfolie, getrennt (siehe Abbildung 5). Auch hier gelten Mindestkriech- und Luftstrecken (siehe Tabelle 1). Diese Methode kann bei größeren Transformatoren verwendet werden, bei denen genügend Platz vorhanden ist, um Lagen von Band oder Folie zwischen den Wicklungen anzubringen (z. B. RPA60-Serie).
Für sehr kompakte DC/DC-Wandler mit geringer Leistung sind alternative Methoden erforderlich, um eine Basisisolierung zu ermöglichen, ohne die Baugröße des Transformators zu vergrößern. Abbildung 6 zeigt einen Transformator, der eine Kunststofftrennbrücke verwendet, um die beiden Wicklungen physikalisch zu trennen. Zusätzlich ist der Ferritringkern vollständig umschlossen, wodurch er unabhängig von den Wicklungen isoliert ist (z. B. RxxPxx, RxxP2xx and RV-Serie).
Für sehr kompakte DC/DC-Wandler mit geringer Leistung sind alternative Methoden erforderlich, um eine Basisisolierung zu ermöglichen, ohne die Baugröße des Transformators zu vergrößern. Abbildung 6 zeigt einen Transformator, der eine Kunststofftrennbrücke verwendet, um die beiden Wicklungen physikalisch zu trennen. Zusätzlich ist der Ferritringkern vollständig umschlossen, wodurch er unabhängig von den Wicklungen isoliert ist (z. B. RxxPxx, RxxP2xx and RV-Serie).
Abbildung 5: Beispiel eines Spulentransformators mit Basisisolierung
Abbildung 6: Beispiel eines Brückentransformators
Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung eines Transformators mit Basisisolierung ist der Schalenkern. Bei dieser Bauweise werden der Kern und eine Wicklung in eine Kunststoffschale eingebracht, die anschließend mit Epoxidharz vergossen wird. Danach wird ein Deckel aufgesetzt, und die zweite Wicklung durch das Loch in der Mitte um die gesamte Konstruktion gewickelt. Diese Bauform wird in der RP-Serie verwendet.
Abbildung 7: Aufbau eines Transformators mit Schalenkern
Abbildung 7: Aufbau eines Transformators mit Schalenkern
Verstärkte Isolierung
Bei verstärkter Isolierung sind die Eingangs- und Ausgangswicklungen durch mindestens zwei unabhängige physikalische Barrieren getrennt (siehe Abbildung 8), und der Transformator muss im Vergleich zur Basisisolierung erhöhte Anforderungen an Kriech- und Luftstrecken erfüllen. Beispiele für RECOM-Wandler mit verstärkter Isolierung sind die Serien RxxPxx/R, REC6-RW/R and REM für medizinische Anwendungen.
Abb. 8: Beispiel einer verstärkten Transformatorenkonstruktion mit erhöhter Kriechstrecke und zwei Isolationsschichten (in der Abbildung als dicke schwarze Linien dargestellt)
Abb. 8: Beispiel einer verstärkten Transformatorenkonstruktion mit erhöhter Kriechstrecke und zwei Isolationsschichten (in der Abbildung als dicke schwarze Linien dargestellt)
Luftstrecke & Kriechstrecke
Die Luftstrecke ist der kürzeste Abstand zwischen zwei Punkten, gemessen direkt von Punkt zu Punkt (Bogendistanz). Die Kriechstrecke ist der kürzeste Abstand zwischen zwei Punkten, gemessen entlang der Oberfläche (Kriechweg).
Abb. 9: Luftstrecke und Kriechstrecke
Hinweis: Die Kriech- und Luftstrecken basieren auf der Summe der Eingangs- und Ausgangsspannungen (z. B. 24V ±10% Eingang, 5V Ausgang = 31,4VDC Arbeitsspannung) und nicht auf der primären Versorgungsspannung – es sei denn, der Wandler ist für eine bestimmte Arbeitsspannung spezifiziert (z.B. 250VAC).
Die internen Luft- und Kriechstrecken innerhalb des Transformators hängen ebenfalls von seiner Bauweise ab:
Funktionsausführungen haben interne Luftstrecken, die nur der Dicke des Trafodrahtlacks entsprechen, z. B. 0,016mm. Die überbrückte Transformatorenkonstruktion bietet Kriech- und Luftstrecken entsprechend der Dicke der Trennbrücke (2mm), während die Schalenkernkonstruktion eine Luftstrecke in Höhe der doppelten Wandstärke des Kunststofftopfs (0,5mm + 0,5mm) und eine Kriechstrecke von mindestens 3mm aufweist.
Verstärkte Transformatoren mit dreifach isolierten (TIW) oder vollisolierten Drähten (FIW) können die Anforderungen an verstärkte Isolierung bereits mit den Drähten selbst erfüllen, müssen jedoch dennoch die Luft- und Kriechabstände zu benachbarten Komponenten einhalten.
Die standardmäßigen Kriech- und Luftstrecken gelten auch für andere Bauelemente, wie etwa den Optokoppler oder EMV-Kondensatoren, die die Isolationsstrecke überbrücken.
Die in vielen Normen definierten Kriech- und Luftstreckenwerte basieren auf Messungen in ...
Abb. 9: Luftstrecke und Kriechstrecke
| Isolationsklasse | Eingangsspannung | 15VDC / 12VAC | 36VDC / 30VAC | 75VDC / 60VAC | 150VDC / 125VAC | 300VDC / 250VAC |
|---|---|---|---|---|---|---|
| Operativ/Funktional* | Luftstrecke | 0.4mm | 0.5mm | 0.7mm | 1.0mm | 1.6mm |
| Kriechstrecke | 0.8mm | 1.0mm | 1.3mm | 2.0mm | 3.0mm | |
| Luftstrecke | 0.8mm | 1.0mm | 1.2mm | 1.6mm | 2.5mm | |
| Kriechstrecke | 1.7mm | 2.0mm | 2.3mm | 3.0mm | 4.0mm | |
| Luftstrecke | 1.6mm | 2.0mm | 2.4mm | 3.2mm | 5.0mm | |
| Kriechstrecke | 3.4mm | 4.0mm | 4.6mm | 6.0mm | 8.0mm |
Tabelle 1: Typische Werte für Luft- und Kriechstrecken bezogen auf die Eingangsspannung
* Für die Funktionstrennung werden die Luft- und Kriechstrecken außerhalb des Transformators gemessen.
* Für die Funktionstrennung werden die Luft- und Kriechstrecken außerhalb des Transformators gemessen.
Hinweis: Die Kriech- und Luftstrecken basieren auf der Summe der Eingangs- und Ausgangsspannungen (z. B. 24V ±10% Eingang, 5V Ausgang = 31,4VDC Arbeitsspannung) und nicht auf der primären Versorgungsspannung – es sei denn, der Wandler ist für eine bestimmte Arbeitsspannung spezifiziert (z.B. 250VAC).
Die internen Luft- und Kriechstrecken innerhalb des Transformators hängen ebenfalls von seiner Bauweise ab:
Funktionsausführungen haben interne Luftstrecken, die nur der Dicke des Trafodrahtlacks entsprechen, z. B. 0,016mm. Die überbrückte Transformatorenkonstruktion bietet Kriech- und Luftstrecken entsprechend der Dicke der Trennbrücke (2mm), während die Schalenkernkonstruktion eine Luftstrecke in Höhe der doppelten Wandstärke des Kunststofftopfs (0,5mm + 0,5mm) und eine Kriechstrecke von mindestens 3mm aufweist.
Verstärkte Transformatoren mit dreifach isolierten (TIW) oder vollisolierten Drähten (FIW) können die Anforderungen an verstärkte Isolierung bereits mit den Drähten selbst erfüllen, müssen jedoch dennoch die Luft- und Kriechabstände zu benachbarten Komponenten einhalten.
Die standardmäßigen Kriech- und Luftstrecken gelten auch für andere Bauelemente, wie etwa den Optokoppler oder EMV-Kondensatoren, die die Isolationsstrecke überbrücken.
Die in vielen Normen definierten Kriech- und Luftstreckenwerte basieren auf Messungen in ...
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