Isolierte DC/DC-Wandler bis 10 kV Der Trafo macht’s

In medizinischen Applikationen sowie in der Energie- und Hochspannungstechnik ist für isolierte DC/DC-Wandler die so genannte »Reinforced«-Isolation nach UL oft zwingend vorgeschrieben. Dies erreicht man durch entsprechende Luft- und Kriechstrecken, was Platz kostet. Durch einen neuartigen Aufbau des Trafos kommen 6-W-Wandler mit 10 kV Isolationsspannung schon in einem Standard-DIP24-Gehäuse unter.

Gründe für den Einsatz isolierter DC/DC-Wandler gibt es viele: Galvanische Trennung vermeidet Erdschleifen, reduziert Signalrauschen und schafft eine Sicherheitsbarriere zur Vermeidung elektrischer Schläge. Letzteres gilt nicht nur für energietechnische Geräte und Anlagen, sondern auch für Systeme der Automatisierungs- und Kommunikationstechnik, in denen oft Module unterschiedlicher Hersteller über Schnittstellen miteinander verkoppelt werden.

Bisherige Versuche, hoch isolierte DC/DC-Wandler in einem kleinen Gehäuse unterzubringen, scheiterten letztlich an der Transformator-Technik. Wegen der von UL (Underwriters Laboratories) in der jeweiligen Isolationsklasse geforderten Werte für Luft- und Kriechstrecken können Primär- und Sekundärwicklung nicht einfach übereinander gewickelt werden, wie dies für einen »funktional« isolierten Wandler völlig ausreichen. Stattdessen wickelt man getrennt auf entgegengesetzten Hälften des Ferritkerns, der dadurch größer zu dimensionieren ist.

Noch problematischer: Mit dem größeren Abstand der Wicklungen verschlechtern sich das Übertragungsverhältnis zwischen elektrischem und magnetischem Feld und damit der Wirkungsgrad erheblich. Dies wirkt sich nicht nur sehr negativ auf die Leistungsbilanz aus, sondern auch auf die zulässige Betriebstemperatur.

Ein Beispiel: Hätte ein DC/DC-Wandler mit funktionaler Isolation einen Wirkungsgrad von etwa 85%, so brächte es ein »reinforced« isolierter Wandler in herkömmlicher Technik auf rund 75%. Dadurch stiege die abzuführende Verlustleistung von knapp 0,6 W auf 1 W. Die maximal zulässige Betriebstemperatur würde bei natürlicher Kühlung von +85 °C auf rund +70 °C sinken. Ein solcher Wandler wäre für viele industrielle Applikationen untauglich oder müsste extern gekühlt werden.

6-W-Wandler im DIP24-Gehäuse

Auch bei der Gehäusegröße stößt man schnell an Grenzen. Ein herkömmlicher Trafo, der die von UL geforderten Werte für Luft- und Kriechstrecke einhält, wird kaum in ein 10 mm hohes Gehäuse passen. Deshalb ist es nicht verwunderlich, wenn hoch isolierte Wandler bislang entweder nicht in einem DIP24-Gehäuse untergebracht werden konnten oder nicht reinforced isoliert waren.

Entwicklungsingenieuren von Recom ist es gelungen, die Transformatortechnik so umzustrukturieren, dass gleichzeitig alle sich eigentlich widersprechende Forderungen erfüllt werden (Bild 1). Das neue Konzept hat die Bezeichnung »Re3-Inforced«. Damit ausgestattete DC/DC-Wandler haben höhere Isolationsspannungen, einen besseren Wirkungsgrad und mehr Nennleistung als ihre funktional isolierten Vorgänger. Der neue DC/DC-Wandler »REC3.5-R10« beispielsweise liefert 3,5 W bei 10 kV Reinforced-Isolation. Der leistungsstärkere »REC6-R10« leistet 6 W bei gleicher Isolationsspannung. Beide Module sind auch mit 8 kV Reinforced-Isolation lieferbar. Neben der höheren Isolation konnten die Entwickler zugleich die Wicklungskapazität um den Faktor drei auf 20 pF reduzieren.

Dadurch sinken die Leckströme signifikant, wie es zum Beispiel in der Medizintechnik erwünscht ist, wo die Elektronik mit dem Patienten in Berührung kommt. Dabei erbringen die beiden neuen Wandlerfamilien rund 20% mehr Nennleistung als ihre Vorgänger und erreichen einen Wirkungsgrad von bis zu 86%. Die maximale Umgebungstemperatur darf beim REC3.5 bis +85 °C betragen, bei natürlicher Kühlung und ohne Derating. Beim leistungsstärkeren REC6 sind es unter gleichen Voraussetzungen +75 °C. Die Gehäusetemperatur darf dabei maximal +105 °C erreichen. Alle neuen Wandler werden im kompakten DIP24-Gehäuse geliefert und sind pinkompatibel zu den bis 6 kV funktional isolierten Vorgängermodellen.

Sie sind dauerhaft gegen Kurzschluss und Überlast geschützt und optional auch mit Unterspannungsschutz und Remote-Pin lieferbar. Sie entsprechen allen einschlägigen Normen wie EN, CSA/UL und CB.