Die Entwicklung robuster und kostengünstiger isolierter DC/DC-Wandler

Der isolierte Wandler hat eine zentrale Rolle bei der Weiterentwicklung moderner, komplexer, effizienter und SICHERER Elektronik gespielt. Es ist entscheidend, sich auf die Hauptmerkmale zu konzentrieren, die die Isolationseigenschaften bestimmen. Diese Faktoren beeinflussen viele der führenden Aspekte heutiger moderner Stromversorgungen, indem sie das Mooresche Gesetz auf der Lastseite aufrechterhalten und gleichzeitig die Herstellung, die Kosten und die Zuverlässigkeit kritischer Komponenten wie Magneten optimieren. Darüber hinaus ermöglichen sie den Einsatz fortschrittlicher Verpackungstechniken auf der Versorgungsseite.

Der isolierte DC/DC-Wandler hat zahlreiche Anwendungen ermöglicht, die sonst nicht realisierbar gewesen wären, darunter medizinische Stromversorgungen, Hochgeschwindigkeits-Kommunikationsbusse, Offline-Stromversorgungslösungen, Motorantriebe und Anwendungen im Hochspannungsbereich.

Der vielleicht bedeutendste Beitrag isolierter DC/DC-Wandler liegt in der Isolierung selbst. Die Fähigkeit, hohe Spannungen und/oder große Leistungen SICHER zu verarbeiten, ist eine entscheidende Entwicklung in der Leistungselektronik und kommt der Gesellschaft auf vielfältige, oft unbemerkte Weise zugute. Auch wenn viele Menschen diese Technologien möglicherweise nicht bewusst wahrnehmen, profitieren sie täglich davon. Als Leistungselektronik-Ingenieure (oder in verwandten Bereichen) sind wir oft die unbesungenen Helden, die „im Geheimen“ die Elektronik am Laufen halten – oft als „schwarze Magie“ wahrgenommen oder dem Endnutzer unbekannt.

Zunächst sollten wir definieren, was Isolation ist und wie sie bei DC/DC-Wandlern angewendet wird. Elektrische (auch galvanische) Isolation bezeichnet die physische Trennung von Leitern, um den direkten Stromfluss zwischen ihnen zu verhindern [1]. Ein schneller Test, um festzustellen, ob ein System ein Maß an Isolation aufweist, besteht darin, die Erdungspotentiale zwischen zwei Punkten zu überprüfen. Die Erdungen isolierter Stromkreise sollten unabhängige (schwebende) Potentiale haben. Neben der Sicherheit gibt es mehrere praktische Anwendungen von Floating Grounds in DC/DC-Wandlern, die wir später noch näher betrachten werden.

Stromwandlerschaltungen nutzen eine Vielzahl von Isolationstechniken, auf die wir hier kurz eingehen möchten. Die Klassifizierung der Isolation basiert vollständig auf den eingesetzten physischen Techniken, die typischerweise durch die Konstruktion von Transformatoren und durch physikalische Abstände erreicht werden. Die folgende Tabelle bietet einen umfassenden Überblick über die Isolierung in DC/DC-Wandlern und deren Umsetzung.


Es ist wichtig zu beachten, dass die Anforderungen und Aspekte der Isolation durch verschiedene Industrie- und Sicherheitsstandards geregelt werden, die je nach Anwendung und geografischem Standort erheblich variieren können. Daher ist es entscheidend, alle Sicherheits- und Zertifizierungsanforderungen für Ihr System frühzeitig im Designprozess zu erfassen. Eine gründliche Recherche der spezifischen Anforderungen der jeweiligen Anwendung ist unerlässlich, da Faktoren wie Metriken, Abstände (in 2D und 3D), Isolationsniveaus und Verifizierungsprüfmethoden abweichen können. Diese Unterschiede können häufig darüber entscheiden, ob die Entwicklung reibungslos verläuft oder unerwartete Kosten- und Zeitüberschreitungen entstehen.

Zum Beispiel zeigt der untenstehende Auszug aus IPC-9592B die Spannungsabstandsanforderungen für unisolierte Leiter auf. Dabei werden Mindestabstände basierend auf den Leiterpotentialen definiert, gleichzeitig wird jedoch betont, dass die Kriech- und Abstandsanforderungen einer verwandten Norm (in diesem Fall IEC 60950) strenger sein können und Vorrang haben sollten. Die Unterstützung medizinischer und/oder hochzuverlässiger Anwendungen bringt ebenfalls viele anwendungsspezifische Richtlinien und Anforderungen mit sich.


Isolation wird üblicherweise durch die Konstruktion von Transformatoren erreicht, kann jedoch auch auf andere Weise implementiert werden, insbesondere für kleinere Signale (z.B. Steuerrückmeldungen, digitale Kommunikation usw.). Eine gängige Methode ist die Isolierung von Kommunikationsbussen, wie dem CAN-Bus in Automobil- und Industrieanwendungen, mithilfe eines kleinen isolierten DC/DC-Wandlers oder sogar kapazitiver Isolation für digitale Signale. Kleinsignal-Rückmeldungen vom Ausgang eines isolierten Wandlers können über einen Optokoppler an den Eingang zurückgeführt werden. Der Optokoppler wandelt die elektrische Energie eines Signals in optische Energie und anschließend wieder zurück in elektrische Energie, wodurch die kritischen Steuerinformationen übertragen werden, während die galvanische Isolation zwischen Eingang und Ausgang erhalten bleibt.

Moderne Fortschritte in der Transformatorenkonstruktion, bei Materialien, 3D-Power-Packaging-Techniken (3DPP) sowie bei neuen Geometrien und Fertigungsprozessen haben diesen Bereich erheblich verbessert. Höhere Isolationsstärken in Kombination mit verbesserten Montagetechniken ermöglichen es, die Isolationsanforderungen zu erfüllen und gleichzeitig die Gesamtlösung zu verkleinern. Diese Fortschritte nutzen automatisierte Fertigungsprozesse, wodurch Qualität und Zuverlässigkeit gesteigert werden. Gleichzeitig profitieren sie von Größenvorteilen, sodass Robustheit und Leistungsdichte verbessert werden, ohne die Kosten zu erhöhen. Ein herausragendes Beispiel ist die Entwicklung von vormals manuell gewickelten Toroiden hin zu automatisch gesteuerten Planarstrukturen, bei denen die Wicklungen in Leiterplatten (PCBs) integriert und die magnetischen Kernmaterialien direkt in die umgebende Geometrie eingebettet werden.