Der
isolierte DC/DC Wandler hat zahllose Anwendungen ermöglicht, die sonst nicht möglich gewesen wären. Einige bedeutende Beispiele sind
medizinische Stromversorgungen, Hochgeschwindigkeits-Kommunikationsbusse, Offline-Stromversorgungslösungen, Motorantriebe und Anwendungen im Hochspannungsbereich.
Darüber hinaus könnte man argumentieren, dass der wertvollste Beitrag isolierter DC/DC-Wandler in der Isolierung selbst liegt. Die Fähigkeit, hohe Spannungen und/oder große Strommengen SICHER zu verarbeiten, ist ein entscheidender Beitrag der Leistungselektronik zur Gesellschaft. Viele Menschen sind sich dessen vielleicht nicht bewusst und wissen daher diese Technologien nicht zu schätzen, aber ich bin sicher, dass sie mit den Ergebnissen in ihrem täglichen Leben zufrieden sind. Als Leistungselektronik-Ingenieure (oder verwandte Berufe) sind wir daran gewöhnt, die unbesungenen Helden zu sein, die „im Geheimen“ die gesamte Elektronik der Welt zum Laufen bringen, auch wenn dies als „schwarze Magie“ gilt oder dem Benutzer nicht bewusst ist.
Zunächst sollten wir definieren, was Isolierung ist und wie sie auf DC/DC-Wandler angewendet wird. Elektrische (auch galvanische) Isolierung ist die physische Trennung von Leitern, um den direkten Stromfluss zwischen ihnen zu verhindern [1]. Der schnellste Test, um festzustellen, ob in einem System ein gewisses Maß an Isolierung vorhanden ist, besteht darin, die Erdungspotentiale zwischen zwei Zielen zu bewerten. Die Erdungen zwischen isolierten Stromkreisen sollten ein unabhängiges (auch schwebendes) Potenzial aufweisen. Abgesehen von den Sicherheitsanforderungen gibt es mehrere praktische Verwendungszwecke für floating grounds in DC/DC-Wandlern, auf die wir etwas später eingehen werden.
In Stromumwandlungsschaltungen kommen viele verschiedene Arten, Methoden und Implementierungen der Isolierung zum Einsatz, sodass wir hier einen kurzen Überblick über die wichtigsten geben wollen. Die Klassifizierung der Isolierung hängt vollständig von den physikalischen Isolierungstechniken ab. Sie werden oft durch die Transformatormontage/-konstruktion und durch physikalische Abstände erreicht. Die nachstehende Tabelle gibt einen umfassenderen Überblick über die Isolierung in DC/DC-Wandlern und deren Implementierung.
| Isolationsklasse |
Beschreibung |
Anwendungsbeispiele |
| Functional |
Der Ausgang ist isoliert, aber es gibt keinen Schutz gegen Stromschlag |
Ringkerntransformator mit Funktionsisolierung |
| Basic |
Die Isolierung bietet Schutz vor Stößen, solange die Barriere intakt ist |
Spulentransformator mit Basisisolierung |
| Supplementary |
Ein zusätzliches Hindernis für die Basic, das von den Zulassungsstellen zwecks Redundanz verlangt wird |
Beispiel für eine verstärkte Transformatorenkonstruktion mit einer Basic- und einer Supplementary-Isolierschicht (dargestellt als dicke schwarze Linien im Diagramm) |
| Reinforced |
Eine einzige Barriere, die zwei Schichten Basic-Isolierung entspricht |
Es ist sehr wichtig zu beachten, dass die Anforderungen und Aspekte der Isolierung von vielen verschiedenen Industrie-/Sicherheitsstandards diktiert werden, die in hohem Maße von der Anwendung und/oder dem geografischen Standort der Nutzung abhängen können. Stellen Sie also sicher, dass Sie alle Sicherheits-/Zertifizierungsanforderungen für Ihr System frühzeitig im Designprozess erfassen. Es ist unbedingt erforderlich, die spezifischen Anforderungen der jeweiligen Anwendung zu recherchieren, da die Metriken, die Abstände (in 2D und 3D), die Isolationsniveaus und die Verifizierungsprüfmethoden/-setups sehr unterschiedlich sein können und oft den Unterschied zwischen einer reibungslosen Entwicklung und unerwarteten Kosten-/Zeitbudgetüberschreitungen ausmachen. Sehen Sie sich zum Beispiel den untenstehenden Auszug aus IPC-9592B an, der die Anforderungen an die Spannungsabstände von unisolierten Leitern beschreibt. Hier werden zwar eindeutig Mindestabstände auf der Grundlage von Leiterpotentialen gefordert, aber es wird auch darauf hingewiesen, dass die Kriech- und Abstandsanforderungen in einer verwandten Norm (in diesem Fall IEC 60950) strenger sein können und Vorrang haben sollten. Die Unterstützung einer medizinischen und/oder hochzuverlässigen Anwendung wird auch viele anwendungsspezifische Richtlinien/Anforderungen in dieser Hinsicht mit sich bringen.
Abb. 1: IPC-9592B Anforderungen an den Abstand zwischen unisolierten Leitern und Spannung, Auszug [3]
Die Isolierung wird in der Regel durch die Konstruktion von Transformatoren erreicht, kann aber auch auf andere Weise realisiert werden, insbesondere für kleinere Signale (z.B. Steuerrückmeldungen, digitale Kommunikation usw.). Es ist üblich, Kommunikationsbusse wie den CAN-Bus in
Automobil- und
Industrieanwendungen zu isolieren, indem man einen kleinen, isolierten DC/DC oder sogar eine kapazitive Isolierung für digitale Signale verwendet. Die Kleinsignal-Rückkopplungsinformationen vom Ausgang eines isolierten Wandlers können über einen Optocoupler zum Eingang zurückgeführt werden. Der Optocoupler wandelt die elektrische Energie eines Signals in optische und dann wieder in elektrische Energie um und leitet so die kritischen Steuerinformationen weiter, während die galvanische Isolierung zwischen Eingang und Ausgang erhalten bleibt.
Moderne Verbesserungen in der Konstruktion und bei den Materialien von Transformatoren,
3D-Power-Packaging-Techniken (3DPPR) techniques und andere neuartige Geometrien und Fertigungsverfahren haben in diesem Bereich große Fortschritte gemacht. Höhere Isolationsstärken und verbesserte Montagetechniken ermöglichen es, die Isolationsanforderungen zu erfüllen und gleichzeitig die Gesamtgröße der Lösung zu verringern und die Vorteile automatisierter Fertigungsprozesse zu nutzen. Dies verbessert die Gesamtqualität und Zuverlässigkeit, während gleichzeitig Größenvorteile genutzt werden, sodass die Verbesserungen bei Robustheit und Leistungsdichte nicht zu-lasten der Kosten gehen. Ein hervorragendes Beispiel dafür ist, wie zuvor manuell gewickelte Toroide nun automatisch gesteuert werden, indem eine planare Struktur implementiert wird, die die Wicklungen in Leiterplatten (PCB) einbettet und die magnetischen Kernmaterialien direkt in die umgebende Geometrie einbezieht.
