Platinenmontierbare Wandler für isolierte und nicht isolierte AC/DC- und DC/DC-Anwendungen

Eine moderne Energieverteilung erfordert oft eine ausgeklügelte Kombination von isolierten und nicht isolierten AC/DC- und DC/DC-Stromrichtern. Die isolierten Wandler sind in erster Linie für den System- und Anwenderschutz bei Einzel- oder Mehrfachfehlern erforderlich; sie werden auch zur Versorgung isolierter Teilfunktionen benötigt, um die Signalintegrität zu erhalten.

Im Prinzip können Sie Ihren eigenen Wandler für kleine bis mittlere Leistungen (bis zu etwa 1000 Watt) mit Hilfe von hochentwickelten ICs entwickeln, wobei verschiedene Architekturen unterschiedliche Leistungsvorteile bieten. Die Realität der Entwicklung und Validierung dieser Wandler ist jedoch eine andere. Sie müssen zumindest eine Reihe grundlegender Funktions- und Leistungsanforderungen erfüllen, darunter Ausgangsspannung und -strom, Wirkungsgrad, Einschwingverhalten, Baugröße und Schutz vor Netz-, Last- und Versorgungsfehlern.

Die Herausforderungen bei der Entwicklung beschränken sich nicht nur auf die Grundlagen. Es gibt eine Reihe von Vorschriften, die sich u. a. auf die Sicherheit, den Wirkungsgrad bei verschiedenen Laststufen, die Abschaltleistung, die thermische Leistung sowie die Emissionen und die Anfälligkeit für elektromagnetische Störungen (EMI) beziehen. Diese Eigenschaften müssen von einem zertifizierten Prüflabor verifiziert werden, was den Zeitplan für die Entwicklung erheblich verlängert. Die einfache Selbstbauoption wird schnell sehr riskant, und Sie werden schnell feststellen, dass die Entscheidung für oder gegen einen Kauf stark zugunsten des Kaufs ausfällt.

Wenn Sie nicht überzeugt sind, bedenken Sie, dass der Wandler auch eine galvanische Trennung aufweisen muss. Dies ist zwar eine allgemeine Anforderung für fast alle AC/DC-Wandler, wird aber auch für einige DC/DC-Wandler benötigt. Dieser Bedarf führt zu neuen Vorschriften, Sicherheits- und Zertifizierungsanforderungen, die die Entscheidung zwischen Herstellung und Kauf weiter zugunsten des Kaufs verschieben, unabhängig vom Umfang des Angebots.

Die gute Nachricht ist, dass platinenmontierbare isolierte und nicht isolierte Stromwandler in einer breiten Palette von Spannungs- und Stromstärken erhältlich sind. Diese vereinfachen die Entwicklung und den Einsatz von Produkten für Anwendungen in den Bereichen Verteidigung, Kommunikation, Test und Messung (isoliert) und mobile Robotik (nicht isoliert) und können in Kombination für die Energieverteilung verwendet werden.

Als sofort implementierbare Komponenten können sie auf der Hauptplatine an einer für die Stromverteilungsschienen optimierten Stelle platziert werden. Darüber hinaus benötigen sie keine diskreten Halterungen. Kurz gesagt, sie bieten die Stromversorgungsfunktion als geschlossene, vollständige und sofort einsatzbereite Lösung.

Grundlagen der Isolierung

Bei der galvanischen Trennung handelt es sich um eine elektrische Barriere, die verhindert, dass sich zwischen zwei Seiten eines Signal- oder Leistungspfads ein leitender („ohmscher“) Pfad bildet. Diese Isolierung muss jedoch weiterhin den Durchgang von Energie und Leistung mit anderen Übertragungsmethoden ermöglichen. Je nach Konstruktion kann eine Isolierung für Signale, Stromversorgung oder beides erforderlich sein. Die zur Umsetzung der Isolierung verwendeten Techniken hängen von den Besonderheiten des zu isolierenden Stromflusses ab.

Die Isolierung kann aus verschiedenen Gründen erforderlich sein. Bei Signalen kann sie die Sensorintegrität verbessern, Erdschleifen beseitigen oder Benutzer und Schaltkreise im Falle von Fehlern schützen, die einen Stromfluss in die Signalwege ermöglichen.

Bei der Stromversorgung ist sie in erster Linie erforderlich, um die Sicherheit des Benutzers zu gewährleisten und Stromschläge durch versehentlichen Kontakt mit Wechselstromleitungen oder Hochspannungs-Gleichstrom zu verhindern. Sie unterstützt auch den Bedarf an „potentialfreien“ Schaltungen (keine Verbindung zur Schaltungsmasse), die für nicht der Stromversorgung dienende Signale verwendet werden.

Im Allgemeinen ist die Isolierung eine Methode zur Lenkung des Stromflusses gemäß dem Kirchhoffschen Stromgesetz (KCL). Damit ein Strom fließen kann, muss es einen Rückweg zur Quelle geben, und die Aufgabe der Isolierung ist es, diesen Weg zu unterbrechen. In einem möglichen Stromschlag-Szenario wird der gesamte Fehlerstrompfad durch den Benutzer und zurück zur Erde (Abbildung 1, links) durch den Trenntransformator in der Stromquelle (Abbildung 1, rechts) unterbrochen.

Abbildung 1: Um einen Stromschlag zu vermeiden, wird der Fehlerstrompfad durch den Benutzer und zurück zur Erde (links) durch den Trenntransformator in der Stromquelle (rechts) unterbrochen. (Bildquelle: Lumen Learning)

Ein häufiges Szenario für einen potenziellen Stromschlag ist, dass ein stromführendes („heißes“) Kabel durch eine ausgefranste Isolierung in direkten Kontakt mit dem Metallgehäuse des Geräts kommt. Auch wenn das Gerät noch bestimmungsgemäß funktioniert, kann der Benutzer einen Stromschlag erleiden, wenn die Erdungsverbindung unterbrochen wird (was häufig der Fall ist) und der Fehlerstrom durch den Benutzer zur Erde fließt, anstatt sicher über das Erdungskabel.

Um diesem Risiko zu begegnen, unterbricht die Isolationsfunktion des Netzteils den Strompfad zwischen der ursprünglichen Spannungsquelle und dem Gerät. Dadurch wird verhindert, dass zwischen ihnen ein Stromkreis entsteht, so dass trotz des Verdrahtungsfehlers keine Stromschlaggefahr besteht.

Zu beachten ist, dass zu den riskanten Spannungen sowohl die Netzwechselspannung als auch vergleichbare Gleichspannungen gehören, wie z. B. die von mehrzelligen Akkus. Die meisten gesetzlichen Normen definieren gefährliche Spannungen als solche über etwa 60 Volt, je nach Situation und Spannungsart.

Die Leistungsisolierung erfolgt fast immer durch elektromagnetische Kopplung über einen Transformator. Die elektromagnetische Kopplung ist elektrisch effizient, technisch effektiv, sehr flexibel, äußerst zuverlässig und lässt sich leicht an die gesetzlichen und schaltungstechnischen Anforderungen anpassen.

Die Gründe für so viele gute Entscheidungen

Bei der Planung von Stromverteilungssystemen besteht kein Mangel an architektonischen Möglichkeiten, da moderne Systeme viele Stromschienen verwenden. Die Auswahl des richtigen Stromrichters kann sich jedoch als schwierig erweisen, wenn Teile eines Schaltkreises isoliert werden müssen, während andere Teile entweder keine Isolierung benötigen oder nicht isoliert werden dürfen.

Es gibt Fälle, in denen eine AC/DC- oder DC/DC-Schiene für die Hochspannungsversorgung nicht isoliert werden muss, eine Isolierung aber weiter hinten in der Energieverteilungskette erforderlich ist. Die Entwickler müssen u. a. entscheiden, ob sie ein einziges größeres isoliertes Netzteil oder mehrere kleinere verwenden und ob sie nur dort, wo es erforderlich ist, ein isoliertes Netzteil und an anderen Stellen ein nicht isoliertes Netzteil einsetzen wollen (Abbildung 2).

Abbildung 2: Eine vollständige Stromverteilungsanordnung auf Systemebene erfordert häufig eine Kombination aus isolierten und nicht isolierten AC/DC- und DC/DC-Stromrichtern. (Bildquelle: TDK-Lambda)

Um diesen Anforderungen gerecht zu werden, bietet TDK-Lambda eine breite Palette an platinenmontierbaren isolierten und nicht isolierten AC/DC- und DC/DC-Leistungswandlern für zahlreiche Eingangs-/Ausgangsspannungen und -ströme an (Abwärts- und Aufwärtswandler). Beispiele sind:

Isolierte AC/DC-Wandlung: Der PFE500F-28/T ist ein Wandler für 28 Volt/18 Ampere (A) mit einem Ausgang für 85 bis 265 Volt Wechselstrom (VAC). Er verfügt über eine 3000-VAC-Eingangs-/Ausgangsisolierung in einem 122 × 70 × 12,7 Millimeter (mm) großen 1-Brick-Modul für den Einsatz in Umgebungen, in denen Konvektions- oder Zwangsluftkühlung nicht möglich ist.

Nicht-isolierte AC/DC-Wandlung: Das geschlossene Modul PF1500B-360 hat ebenfalls eine 1-Brick-Größe und wandelt den Wechselstromeingang in einen geregelten 360-Volt-Gleichstromausgang (VDC) für den Einsatz in verteilten Stromversorgungssystemen, die isolierte DC/DC-Hochspannungswandler verwenden, oder für Lasten, die eine Hochspannungsquelle benötigen. Es hat eine Nennleistung von 1512 Watt bei 170 bis 265 VAC Eingang und 1008 Watt bei 85 bis 265 VAC. Das Modul hat einen Leistungsfaktor von 0,98 und einen Wirkungsgrad von bis zu 96,5%.

Isolierte DC/DC-Wandler: Der isolierte DC/DC-Wandler GQA2W024A050V-007-R liefert 120 Watt in einem kompakten und leistungsstarken 1/4-Brick-Gehäuse mit einer Isolierung von bis zu 3000 VDC zwischen Eingang und Ausgang. Er arbeitet über einen Eingangsbereich von 9 bis 36 Volt und liefert 5 Volt bei 24 A. Sein mechanisches Gehäuse ist in mehreren Grundplatten-, Gehäuse- und vergossenen Konfigurationen erhältlich (Abbildung 3) und unterstützt Konvektions- und Leitungskühlung über eine externe Kühlplatte oder einen Kühlkörper.

Abbildung 3: Der Wandler GQA2W024A050V-007-R ist in mehreren Gehäusekonfigurationen erhältlich, um Entwicklern maximale Flexibilität für ihr Gesamtgehäusedesign und die Kühlung des Wandlers zu bieten. (Bildquelle: TDK-Lambda)

Nicht isolierte DC/DC-Wandler: Der nicht isolierte PoL-DC/DC-Wandler I6A24014A033V-003-R eignet sich gut zur Erzeugung von Hochstrom-Ausgangsspannungsschienen aus einer 12- oder 24-VDC-Spannungsversorgung. Er hat einen Eingangsbereich von 9 bis 40 Volt, liefert bis zu 14 A und bietet einen weiten Ausgangs-Einstellbereich von 3,3 bis 24 Volt in einem kompakten 1/16-Brick-Gehäuse.

Fazit

TDK Lambda bietet isolierte und nicht isolierte platinenmontierbare Wandler für eine Vielzahl von Topologien und Eingangs- und Ausgangsspannungsspezifikationen. Das Ergebnis ist eine optimierte Reihe von leistungsstarken, handelsüblichen Wandlern, die für eine breite Palette von Leistungskonfigurationen geeignet sind.