Die Entwicklung robuster und kostengünstiger isolierter DC/DC-Wandler

Digitale Darstellung des Lebenszyklus eines Schmetterlings in einem leuchtend blauen Design
Der isolierte Wandler hat einen langen geschichtlichen Hintergrund bei der Verwirklichung moderner, komplexer, effizienter und SICHERER Elektronik.

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Einleitung

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.

Ein kurzer Überblick über isolierte DC/DC-Wandler

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.

Isolationsklasse Beschreibung Anwendungsbeispiele
Functional Der Ausgang ist isoliert, aber es gibt keinen Schutz gegen Stromschlag Ringkerntransformator mit Funktionsisolierung
Ringkerntransformator mit Funktionsisolierung
Basic Die Isolierung bietet Schutz vor Stößen, solange die Barriere intakt ist Spulentransformator mit Basisisolierung
Spulentransformator mit Basisisolierung
Supplementary Ein zusätzliches Hindernis für die Basic, das von den Zulassungsstellen zwecks Redundanz verlangt wird Beispiel für eine verstärkte Transformatorenkonstruktion
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
Tabelle 1: Übersichtstabelle der gängigen Isolationsgrade, aus dem Blog „Isolation in DC/DC Wandlern verstehen“ [2]

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.

IPC-9592B Anforderungen an den Abstand zwischen unisolierten Leitern und Spannung

Abb. 1: IPC-9592B Anforderungen an den Abstand zwischen unisolierten Leitern und Spannung, Auszug [3]

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.

Auswirkungen der Isolierung auf das Design von Wandlern

Warnzeichen für Elektrizität
Die gebräuchlichsten Kenngrößen für das Design und die Optimierung von Energielösungen sind Größe, Gewicht und Leistung (auch bekannt als SWaP-Faktoren). In Kombination mit einer Kostenmetrik spricht man von SWaP-C-Faktoren [4]. Angesichts der unterschiedlichen Methoden und Isolationsstufen, die ein Design erfordern kann, können diese Anforderungen erhebliche Auswirkungen auf die gesamten SWaP-C-Faktoren haben, insbesondere bei Filterkomponenten.

Die meisten Systeme können nicht ausgeliefert werden, ohne die Erfüllung (mitunter) mehrerer Sicherheits- und Funktionsstandards nachzuweisen. Dabei handelt es sich nicht um „Nice-to-have“-Merkmale, sondern um marktkritische Anforderungen, die zusätzliche Kosten und Zeit in einen Projektentwicklungsplan einbringen können, falls die hierfür nötigen Ressourcen nicht frühzeitig berücksichtigt wurden.

Die Tabelle im vorherigen Abschnitt verdeutlicht beispielsweise den Kompromiss zwischen Spannungsanforderungen und benötigten Abständen, wenn Leiter mit unterschiedlichen Potenzialen auf engem Raum untergebracht werden. Die Klasse des Isolationsgrades legt fest, wie viele Isolationsschutzmechanismen vorhanden sein müssen und welche Mindesteigenschaften sie aufweisen sollten (z.B. Material, Dicke oder Redundanz), um die jeweilige Isolationsspezifikation zu erfüllen — typischerweise beschrieben durch die Höhe der Spannung und die Dauer, die eine Isolation bei dieser Spannung aushalten muss.

Daraus ergibt sich eine klassische Kompromissanalyse: Einerseits der Wunsch, die Gesamtlösungen zur Optimierung von SWaP weiter zu verkleinern, andererseits die Notwendigkeit, bei kompakteren Designs teurere Komponenten (wie dreifach isolierte Drähte oder TIW) einzusetzen, um die Spezifikationen sicher einzuhalten.

Andere technische Faktoren, wie die thermische Entlastung und die Unterstützung breiter Hochspannungsbereiche, können ebenfalls die Kompaktheit einer Lösung beeinflussen. Wie bei jeder technischen Entwicklung müssen sinnvolle Kompromisse gefunden werden zwischen der Erfüllung grundlegender Funktions- und Sicherheitsanforderungen, den Kostenauswirkungen auf Entwicklungszeitpläne und Budgets, Garantie- und Zuverlässigkeitsanforderungen sowie den Time-to-Market-Zielen (TTM). Da die Herstellung von Magnetik-Komponenten nach wie vor zu den letzten manuellen Montageprozessen in der Fertigung gehört, sollte nochmals betont werden, dass eine möglichst weitgehende Automatisierung und der Verzicht auf Handlötung helfen können, entscheidende Elemente zur Optimierung von SWaP-C und zur Verbesserung der Zuverlässigkeit eines Designs wesentlich zu beeinflussen.

An dieser Stelle erscheint es sinnvoll, eine kurze Zuordnung isolierter Lösungen zu gängigen Leistungstopologien und Implementierungen vorzunehmen. Ein vollständiger Überblick über sämtliche Topologien würde den Rahmen dieses Whitepapers sprengen, daher konzentrieren wir uns auf eine kompakte Zusammenfassung, welche Stromwandlertopologien Isolation unterstützen und warum.
Topologie Grundschaltung Auswirkungen der Isolation/Regulierung
Nicht geregelt Push-Pull (Royer) Nicht geregelt Push-Pull (Royer)
Ungeregelte Push-Pull Wandler-Schaltung
  • Vout>ODERin
  • Zwei Schalter
  • Isolierte Topologie
  • Transformator mit sättigbarem Kern
  • Kostengünstig für höhere/niedrigere/invertierte/bipolare Ausgänge
  • Verwendung mit ungeregeltem Eingang
Ínvertierender Buck-Boost (Flyback) Ínvertierender Buck-Boost (Flyback)
Basic Sperrwandlerschaltung
  • Vout>ODERin
  • Einzelner Schalter
  • Isolierte Topologie
  • Höherer Wirkungsgrad bei geringerer Leistung, sehr robust (Energie wird im Transformator gespeichert)
  • Häufigste Offline-Stromversorgung, kann reguliert oder ungeregelt sein
Half-Bridge (push-pull) Half-Bridge (push-pull)
Basic Halbbrückenwandler-Schaltung
  • Vout>ORin
  • Zwei Schalter
  • Isolierte Topologie
  • Höherer Wirkungsgrad bei höhere Leistung
  • Nutzt den halben Leitungszyklus für die Energiegewinnung/-umwandlung
  • Kann reguliert oder unreguliert sein
... ...
  • ...
  • ...
  • ...
Tabelle 2: Vergleich der Isolierung/Regulierung von Stromwandler-Topologien

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