Entwicklung robuster und kostengünstiger, isolierter DC/DC Wandler

Der isolierte Wandler hat einen langen geschichtlichen Hintergrund bei der Verwirklichung moderner, komplexer, effizienter und SICHERER Elektronik.

1. Einleitung

Der isolierte Wandler hat einen langen geschichtlichen Hintergrund bei der Verwirklichung moderner, komplexer, effizienter und SICHERER Elektronik. Es ist wichtig, sich auf die Hauptmerkmale eines Wandlers zu konzentrieren, die die Isolationseigenschaften bestimmen. Sie sind die treibende Kraft hinter vielen der führenden Faktoren, die in die modernen Stromversorgungen einfließen, indem sie das Mooresche Gesetz auf der Lastseite beibehalten und gleichzeitig die Herstellung, die Kosten und die Zuverlässigkeit von kritischen Komponenten wie Magneten optimieren und andere fortschrittliche Verpackungstechniken auf der Versorgungsseite vorantreiben.

2. Ein kurzer Überblick über isolierte DC/DC-Wandler

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
Tabelle 1: Übersichtstabelle der gängigen Isolationsgrade, aus dem Blog „Isolation in DC/DC Wandlern verstehen“ [2]

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.

3. Auswirkungen der Isolierung auf das Design von Wandlern

Die gebräuchlichsten Kennzahlen für das Design und die Optimierung von Energielösungen sind ihre Größe, ihr Gewicht und ihre Leistung (auch bekannt als SWaP-Faktoren). In Kombination mit einer Kostenmetrik kann dies auch als SWaP-C-Faktor bezeichnet werden [4]. Angesichts der verschiedenen Methoden und Isolierungsgrade, die ein Design erfordern kann, kann dieser Unterstützungsbedarf große Auswirkungen auf die gesamten SWaP-C-Faktoren haben, insbesondere bei Filterkomponenten. Die meisten Systeme können nicht ausgeliefert werden, ohne dass die Erfüllung (manchmal) mehrerer Sicherheits- und Funktionsstandards bestätigt wurde. Dies sind also keine „Nice-to-have“-Lösungen, sondern marktkritische Lösungen, die Kosten und Zeit in einen Projektentwicklungsplan einbringen, in dem die für die Unterstützung dieser Eventualitäten erforderlichen Ressourcen nicht berücksichtigt wurden.

Die Tabelle im letzten Abschnitt veranschaulicht beispielsweise den Kompromiss zwischen der Spannung und dem erforderlichen Abstand, wenn Leiter mit unterschiedlichen Potenzialen auf engem Raum untergebracht werden. Die Klasse des Isolationsgrades bestimmt, wie viele Isolationsschutzmerkmale vorhanden sein müssen und welche Mindesteigenschaften sie haben müssen (d.h. in Bezug auf Material, Dicke und/oder Redundanz), um die Isolationsspezifikation zu erfüllen (typischerweise ausgedrückt in Spannungshöhe und Widerstandszeit, damit eine solche Spannung noch funktionsfähig ist). Dies führt zu einer sehr typischen Kompromissanalyse zwischen dem Wunsch, die Gesamtlösungen zur Optimierung des SWaP zu verkleinern, und dem Nachteil der Kosten, wenn teurere Komponenten (wie dreifach isolierte Drähte oder TIW) helfen können, die Anforderungen in kompakteren Anordnungen zu erfüllen.

Andere technische Faktoren wie die Abschwächung der Wärmeentwicklung und die Unterstützung breiter Hochspannungsbereiche können die Kompaktheit einer Lösung beeinflussen. Wie bei jeder technischen Entwicklung müssen vernünftige Kompromisse zwischen der Erfüllung der grundlegenden Funktions-/Sicherheitsanforderungen des Systems, den Kostenauswirkungen auf die Entwicklungszeit-pläne/Budgets, den Garantie-/Zuverlässigkeitsanforderungen und den Time-to-Market-Zielen (TTM) gefunden werden. Angesichts der Tatsache, dass die Herstellung von Magneten nach wie vor zu den letzten manuellen Komponenten gehört, die am Fließband montiert werden müssen, sollte noch einmal betont werden, dass eine möglichst weitgehende Automatisierung und eine Montage ohne Handlöten dazu beitragen kann, viele der wichtigsten Elemente zur Optimierung von SWaP-C und zur Verbesserung der Zuverlässigkeit eines Designs zu optimieren.

An dieser Stelle erscheint es sinnvoll, eine schnelle Zuordnung von isolierten Lösungen zu gängigen Leistungstopologien und Implementierungen vorzunehmen. Ein umfassender Überblick über die Topologie würde den Rahmen dieses Papiers sprengen. Wir möchten Ihnen jedoch einen kurzen Überblick darüber geben, welche Stromumwandlungstopologien eine Isolierung unterstützen und warum.
Topologie Grundschaltung Auswirkungen der Isolation/Regulierung
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)
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)
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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