Isolierte DC/DC-Wandler

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.

1. Über DC/DC-Wandler

DC/DC-Wandler sind Stromversorgungen, die eine Gleichspannung (DC) in eine andere Gleichspannung umwandeln können; sie wirken also wie ein Trenntransformator oder ein Auf- bzw. Abwärtstransformator, allerdings mit Gleichstrom- statt mit Wechselstromversorgung (AC).

Da Transformatoren nur mit Wechselstrom arbeiten, sind alle DC/DC-Wandler intern DC-zu-AC-zu-DC-Module:


Abb. 1: Prinzipieller Aufbau eines DC/DC-Wandlers

2. Isolierte DC/DC-Wandler

Obwohl es DC/DC-Wandler ohne Isolierung zwischen Eingang und Ausgang gibt, verwenden die meisten DC/DC-Wandler einen internen Transformator, und der Ausgang ist elektrisch (galvanisch) vom Eingang getrennt. Der getrennte Ausgang kann entweder als nicht geerdete Stromquelle oder zur Erzeugung unterschiedlicher Spannungsschienen und/oder Schienen mit doppelter Polarität verwendet werden (siehe Abbildung 2). Da der Ausgang vom Eingang isoliert ist, kann die Wahl der Referenzspannung für die Eingangs- oder Ausgangsseite beliebig sein (siehe Abbildung 3); ein DC/DC kann z. B. verwendet werden, um die Spannungspolarität zu ändern (z. B. –5V out von +5V in), eine Spannung hinzuzufügen (z. B. +12V von einer +5V-Versorgung) oder einen dualen Ausgang von einer einzigen Versorgung zu erzeugen (z. B. ±5V von einer 12V-Batterie). Diese Eigenschaft macht DC/DC-Wandler sehr vielseitig. Ausgänge, die gegenüber dem Eingang potenzialfrei sind, sind ebenfalls sehr nützlich; die Isolation unterbricht Masseschleifen und eliminiert somit Rauschen in elektrischen Systemen, die Ausgangspolarität kann frei gewählt werden, und natürlich ist die Isolationsbarriere als Schutz vor Stromschlägen oder Kurzschlussgefahren ein wichtiges Sicherheitselement.



Abb. 2: Beispielhafte DC/DC-Versorgungskonfigurationen

3. Isolationsklassen

Es gibt drei Hauptklassen der Isolierung:

  • 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?

4.Operative/Funktionale Isolierung

Die Eingangs- und Ausgangswicklungen sind direkt übereinander auf einen Ringkern gewickelt und verlassen sich zur Isolierung auf die Dicke des Drahtlacks (siehe Abbildung 3).

Diese Methode hat den Vorteil eines sehr kompakt bemessenen Transformators, der trotz der geringen Größe einer Isolationsspannungsprüfung bis zu 4kVDC/1s standhält (z. B. RFMM, RKE-Serie).

Abb. 3: Beispiel eines Ringkerntransformators
Eine andere Art der Transformatorenkonstruktion besteht darin, die Eingangs- und Ausgangswicklungen auf einen isolierenden Spulenkern zu wickeln (siehe Abbildung 4).

Diese Methode beruht immer noch auf einer Lackisolierung um die Drähte, aber der Kunststoffspulenkern isoliert den leitenden Ferritkern von den Wicklungen. Diese Methode hat den Vorteil, dass der Transformator sehr kompakt ist, mehr Leistung liefern kann und eine Isolationsfestigkeit von bis zu 6kVDC/1s bietet (z. B. REC5/H6-Serie).


Abb. 4: Beispiel eines Spulentransformators

5. 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).

Abbildung 5: Beispiel eines Spulentransformators mit Basisisolierung
Für sehr kompakte DC/DC-Wandler mit geringer Leistung müssen andere Wege gefunden werden, um eine Basisisolierung zu gewährleisten bzw. den Transformator nicht zu groß zu machen. Abbildung 6 zeigt einen Transformator, der eine Kunststofftrennbrücke verwendet, um die beiden Wicklungen physikalisch zu trennen.

Zusätzlich ist der Ferritringkern vollständig umschlossen, sodass er auch unabhängig von den Wicklungen isoliert ist (z. B. RxxPxx, RxxP2xx and RV-Serie).

Abbildung 6: Beispiel eines Brückentransformators
Es gibt auch eine andere Möglichkeit, einen Transformator mit Basisisolierung herzustellen: den Transformator mit Schalenkern. Bei dieser Bauweise befinden sich der Kern und eine Wicklung in einer Kunststoffschale, die mit Epoxid gefüllt ist. Ein Deckel wird aufgesetzt, und dann wird die zweite Wicklung durch das Loch in der Mitte um die gesamte Konstruktion gewickelt. Diese Bauart wird in der RP-Serie verwendet.



Abbildung 7: Aufbau eines Transformators mit Schalenkern

6. Verstärkte Isolierung

Bei der verstärkten Isolierung sind die Eingangs- und Ausgangswicklungen durch mindestens zwei separate unabhängige physikalische Barrieren getrennt (siehe Abbildung 8), und der Transformator hat im Vergleich zur Basisisolierung erhöhte Anforderungen an die Kriech- und Luftstrecken. 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)

7. Luftstrecke & Kriechstrecke

Die Luftstrecke ist der kürzeste Abstand zwischen zwei Punkten gemessen von Punkt zu Punkt (Bogendistanz). Die Kriechstrecke ist der kürzeste Abstand zwischen zwei Punkten gemessen durch Verfolgung der Oberfläche (Kriechstrecke).



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.


Hinweis: Die Kriech- und Luftstrecken basieren auf der Summe der Eingangs- und Ausgangsspannungen (z. B. 24V ± 10% in, 5Vout = 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 sind ebenfalls von der Konstruktion abhängig.

Funktionskonstruktionen haben interne Luftstrecken, die nur der Dicke des Trafodrahtlacks entsprechen, z. B. 0,016mm. Die überbrückte Transformatorenkonstruktion hat eine Kriech- und Luftstrecke gleich der Dicke der Trennbrücke (2mm), während die Schalenkernkonstruktion eine Luftstrecke gleich der doppelten Wandstärke des Kunststofftopfes (0,5mm + 0,5mm), aber eine Kriechstrecke von mindestens 3mm hat.

Verstärkte Transformatoren, die dreifach isolierte Drähte (TIW) oder vollisolierte Drähte (FIW) verwenden, können die Anforderungen an die verstärkte Isolierung innerhalb des Transformators erfüllen, indem sie nur die Drähte selbst verwenden, müssen aber dennoch die Luft- und Kriechstrecken zwischen dem Transformator und den angrenzenden Komponenten einhalten. Die standardmäßigen Kriech- und Luftstrecken gelten auch für alle anderen Komponenten, z. B. für den Optokoppler und alle EMV-Kondensatoren, die die Isolationsstrecke überbrücken ...

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