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Leitfaden zu Einsatz & Norm eines 1 W isolierten DC/DC-Wandlers

6. September 2021, 8:00 Uhr | Simone Schiller

Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Was bedeutet beispielsweise die Angabe im Datenblatt IEC60950-1?

Die International Electrotechnical Comission (IEC) legt Standards für elektrische Technologien fest. Die so in einem Dokument festgelegten Vorgaben für ein Produkt sind für einen bestimmten Kontext zu erfüllen. Die Anwendung eines Standards ist nur verpflichtend, wenn in Verträgen, Richtlinien oder Gesetzen auf sie referenziert wird.

Je nach Applikation bzw. Einsatzgebiet ergeben sich unterschiedliche Anforderungen an die elektrische Sicherheit, was sich durch spezifische Sicherheitsstandards abbilden lässt. In Bild sind die im DC/DC Kleinleistungsbereich gängigsten Standards wiedergegeben (siehe Abbildung 4).

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Obwohl die IEC60950 bereits durch den offiziellen Nachfolger IEC62368 seit geraumer Zeit abgelöst wurde findet man bei isolierten Power Modulen aus dem 1W Sektor immer noch die Angabe „IEC60950 certified“. Deshalb basiert die weitere Bertachtung auch auf diesem Standard. Die IEC 60950 ist ein Standard der die allgemeinen Anforderungen an die Sicherheit von Geräten wie Computer, Adapter, Schaltnetzteile, elektrische Büroausstattung und EDV-Geräte wie beispielsweise Drucker, Kopierer und Faxgeräte behandelt. Die Angabe im Datenblatt „IEC 60950-1 certified“ besagt, dass das Produkt nach den Vorgaben für das Produkt mit Hinblick auf z.B. elektrische Sicherheit begutachtet wurde und die Tests mit „pass“ bestanden wurden. Eine solche Angabe im Datenblatt sagt aber nichts darüber aus, welche Qualität/Typ die galvanische Trennung hat. Die IEC 60950-1 spezifiziert die Art dieser Trennung in funktionale, basis (basic)-, zusätzliche (supplementary) und verstärkte (reinforced) Isolation. Die funktionale Isolation gewährleistet die elektrische Funktionalität durch z.B. örtliche Trennung verschiedener Potentialleitungen. Sie dient aber nicht zum Schutz vor elektrischen Schlag beim Berühren der Potentiale. Die Basis-Isolation isoliert eines der beiden Potentiale so dass ein Schutz vor einem elektrischen Schlag gewährleistet ist. Der Schutz ist aber nur vorhanden solange die Isolation intakt ist. Werden beide Leitungen gegeneinander so isoliert, dass beide Potentiale einen Schutz gegen elektrischen Schlag aufweisen so spricht man von einer zusätzlichen Isolation. Eine verstärkte Isolation ist dann gegeben, wenn z.B. beide Potentialleitungen in einen massiven Kunststoffkörper eingegossen werden und es damit nur noch „eine“ Isolation gibt.

Was ist unter der Angabe 4000VDC für 1s zu verstehen?

Würth Elektronik MagI³C Power Module werden zur Gewährleistung hoher gleichbleibender Qualität einer 100 %-Prüfung in der Produktion unterzogen. Als einer der abschließenden Tests wird dabei jedes isolierte Power Modul für eine Sekunde mit einer DC-Spannung von 4000 V beaufschlagt. Die Prüfung soll Produktionsfehler im Bereich der galvanischen Isolation aufdecken. Die Höhe der Prüfspannung sagt dabei jedoch nichts über den Typ der Isolation – funktionale, basis-, zusätzliche oder verstärkte Isolierung – aus. Es kann daher nicht aufgrund der Höhe der Isolationspannung auf die Eignung des DC/DC Power Moduls für bestimmte Applikationen geschlossen werden. Ein weit verbreiteter Irrtum ist z.B., dass ein DC/DC Power Modul mit 4 kV Isolationsspannung auch in der Medizintechnik im ein oder zwei MOOP – Means Of Operator Protection - Bereich eingesetzt werden kann. Hier werden zwar auch Spannungen von 1500 V_DC und 3000 V_DC verwendet, aber eben zur Prüfung anderer Isolationstypen.

Wie aber kommt der Wert der Isolationsspannung zustande? Er ist abhängig vom Typ der Isolation und der vorherrschenden Arbeitsspannung. Mit dem Begriff „Arbeitsspannung“ ist hier diejenige Spannung gemeint, die max. im System auftreten kann. Dies muss je nach Wandlertopologie nicht zwingend die Eingangsspannung sein, sondern kann z.B. bei einer Flyback Topologie die Spitzenspannung über dem primären MOSFET sein. Wie in Abbildung 5 zu sehen ist, ist die geforderte Isolationsspannung eines Wandlers proportional seiner Arbeitsspannung.

Die Angabe „4000 V_DC Isolationsspannung“ kann nun differenzierter gelesen werden. Eine Isolationsspannung von 4k V_DC würde nach der Grafik bedeuten, dass der Wandler mit einer Arbeitsspannung von bis zu 1450 V_DC verwendet werden könnte. Wandler im Kleinleistungsbereich, die eine derartige Angabe zur Isolationsspannung haben, sind aber nur bis 24 V_DC oder max. bis 72 V_DC Eingangsspannung spezifiziert. Wie passt das zusammen?

Da die Wandler von ihrem ursprünglichen Einsatzfall, Hilfsspannungsversorgung, in immer mehr Applikationen mit sehr unterschiedlichen Anforderungen Einzug gehalten haben sind auch die tatsächlich spezifizierten Isolationsspannungen höher als die normative Vorgabe. Feldbusapplikation wie z.B. CAN, Interbus, etc., fordern eine immer höhere Robustheit der versorgenden DC/DC Wandler gegenüber Störungen was sich wiederum in steigenden Isolationsspannungen niederschlägt. Die MagI³C Power Module müssten in ihrem Leistungsbereich eine Isolationsspannung von 700 V_DC erfüllen und gewährleisten mit einem Wert von 4000 V_DC die sichere Funktionalität für viele Applikationen.