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»Alle Aspekte der Schaltung verstehen«

Isolation bei DC/DC-Wandlern und die richtige Produktwahl

18. Februar 2025, 9:30 Uhr | Engelbert Hopf

Michael Siegel, Traco Electronic: »Es ist häufig die falsche Interpretation der Anwender, die die Ausfallraten der Wander bestimmt, und nicht deren fehlende Isolation oder die schlechte Qualität ihrer Isolation.«

Was beim Thema Isolation von DC/DC-Wandlern wirklich zu beachten ist, das erläutert Michael Siegel, Field Sales Vertriebsingenieur bei Traco Electronic, in seiner Keynote: »Isolation von Schaltnetzteilen oder: Was kann der Wandler wirklich?« auf der Battery&Power World 2025.

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Markt&Technik: Ihre Keynote lautet: »Isolation von Schaltnetzteilen oder: Was kann der Wandler wirklich«? Was sagt Ihrer Ansicht nach die Isolation über die Qualität oder auch Zuverlässigkeit eines DC/DC-Wandlers aus?

Michael Siegel: Es sind die Genauigkeit der einzelnen Parameter sowie die Langlebigkeit des Produkts, die die Qualität eines Wandlers definieren. Das geht nicht direkt einher mit der Isolation. Da eine Isolation eher strengeren Anwendungsbereichen entspricht, werden diese grundsätzlich auch eine höhere Qualität haben. Lassen Sie mich das mit der Sitzheizung im Auto vergleichen: Die Sitzheizung findet man in höherpreisigen Autos, sie ist aber an sich kein Merkmal für die Qualität des Autos.

Wie oft sind nach Ihrer Erfahrung im Feld Fehler oder mangelnde Qualität der Isolation für den Ausfall von DC/DC-Wandlern verantwortlich? Ist das ein auf gleichem Level bleibendes Problem oder hat es in den letzten Jahren an Bedeutung verloren?

Es ist häufig die falsche Interpretation der Anwender, die die Ausfallrate der Wandler bestimmt, und nicht die fehlende Isolation oder die schlechte Qualität der Isolation. Selbst erfahrene Entwickler unterliegen der falschen Annahme, dass ein Wandler mit beispielsweise 1600 V Prüfspannung in Umrichterzwischenkreisen einsetzbar sein könnte. Wichtig sind die Art der Isolation und die zulässige dauerhafte Differenzspannung zwischen Eingang und Ausgang. Selbst ein kurzzeitig auf 3000 V getesteter Wandler kann unter Umständen durchaus eine zu geringe Working Voltage haben, um etwa in Zwischenkreisen eingesetzt zu werden.

Spielt das Thema Isolation in unterschiedlichen Anwendungsbereichen wie Medizin oder Industrieapplikationen unterschiedliche Rollen?

Absolut ja. Eine Isolation wird durch eine Vielzahl an Parametern definiert. So verlangen die Anforderungen der Medizintechnik beispielsweise oft nach geringen Koppelkapazitäten oder Leckströmen. Daneben sind mehr Sicherheitsreserven vorzuhalten – Stichwort Patientensicherheit! Bei Industrieanwendungen können auch mal Spannungsfestigkeiten im zweistelligen kV-Bereich gefordert sein. Dies kommt sehr auf die Anwendung an.

Welche Einflussgrößen gibt es und auf welche Art wirken sie auf die Isolation von DC/DC-Wandlern ein?

Zu den Einflussgrößen, die neben der Spannung eine Isolationsbarriere belasten, gehören auch Faktoren wie der Verschmutzungsgrad, die Luftfeuchte, die Einsatzhöhe und der Luftdruck. Alterung und auf Dauer nicht erkennbare Impulsbelastung, beispielsweise durch Surge und Burst, können eine Isolationsbarriere über die Zeit schädigen und zum Durchschlag führen. Genau das wird über Normen und Zulassungen abgefangen und präventiv mit zunächst deutlich zu groß erscheinenden Luft- und Kriechstrecken verhindert.

Welche Bauteile sind für das Thema Isolation in einem DC/DC-Wandler von Bedeutung? An welcher Stelle lassen sich dabei Qualitätsunterschiede zwischen einzelnen Stromversorgungsherstellern aufzeigen?

Die relevanten Bauteile für die Isolation sind der Trafo, Y-Kondensatoren und Optokoppler oder induktive Rückkoppelpfade. Wie bei jedem Bauteil können hier verschiedene Dimensionen und Qualitätsansprüche gewählt werden. Dass es nennbare Qualitätsunterschiede zwischen uns und unseren Marktbegleitern bei den verwendeten Komponenten gibt, würde ich bezweifeln – es sei denn, es handelt sich um Billigproduktionen oder gar Plagiate, die mitunter immer häufiger werden.

Isolierende Bauteile wie Trafos in einem Wandler sind mit Wicklungen nebeneinander oder übereinander erhältlich. Welche Vor- und Nachteile bieten sie, und worauf sollte der Einkäufer/Entwickler bei der Auswahl achten?

Wenn die Wicklungen nebeneinander angeordnet sind, weist der Trafo weniger Koppelkapazität und höhere Isolationsmöglichkeiten auf. Jedoch vergrößert dies die Streuinduktivität, was mit Verlusten und schlechteren Werten in der EMV-Messung zusammenhängen kann. Die Wicklungen übereinander stehen dazu als Gegenbeispiel. Jedoch sind die Anforderungen an eine technische Komponente durch die Applikation gegeben. Hier wird sich ein rein kommerziell agierender Einkäufer schwertun, die technischen Vorteile ohne die Anforderungsanalyse einzuschätzen. Wir möchten in vorderster Linie die technische Anforderung erfüllen und stellen gegebenenfalls die kommerzielle Anforderung an zweite Stelle.

Ein Sonderthema sind vergossene Wandler. Welche Vorteile bieten sie, wann lohnt sich ihr Einsatz?

Verguss bringt neben der Isolation auch thermisch verbesserte Effekte und Schutz vor Verunreinigung. Durch den eingebrachten Kunststoff verbessert sich die Isolation, da damit Luftstrecken mit hoch isolierendem Material gefüllt werden. Lufteinschlüsse müssen mit dem technisch aufwendigen und dadurch auch kostspieligen Produktionsprozess sichergestellt werden. Und das wirkt sich auch auf die thermische Spreizung im Wandler aus. Dort, wo Luft bleibt, wird weniger gekühlt, und neben etwaigen Isolationslöchern durch die eingeschlossene Luft könnten auch Hotspots entstehen, die zu verfrühtem Ausfall führen könnten.

Welches sind nach Ihrer Ansicht beim HV-Test eines DC/DC-Wandlers die wichtigsten Aspekte? Kann ein Einkäufer/Entwickler anhand des Datenblatts eines DC/DC-Wandlers erkennen, nach welchen Vorgaben getestet wurde und wie vergleichbar die im Datenblatt aufgeführten Werte sind?

Der HV-Test wird entweder mit Wechselspannung oder mit Gleichspannung durchgeführt. Um vergleichbare Werte zur Sicherstellung der Isolationsfestigkeit zu erhalten, wird beim DC-Test auf eine um den Faktor √2 höhere Spannung getestet, als dies bei AC der Fall wäre. Dies schont den Wandler und reduziert die etwaige Vorschädigung durch Vorbelastung. Bei dem Test werden Größen wie Spannungshöhe und Anstiegsgeschwindigkeit du/dt je nach Norm variiert. Es wird nicht nur hart auf Durchbruch getestet, sondern anhand der Stromanstiegsantwort in Abhängigkeit von der Spannung können Leckagen oder Teilentladungen auf unzureichende Luft- und Kriechstrecken hindeuten. In unseren Datenblättern sind die eingehaltenen Grenzwerte angegeben, und an den Prüfnormen ist zu erkennen, welchen Standards die Produkte entsprechen.

AC- und DC-Test: Welchen würden Sie für die Qualitätsaussage über einen DC/DC-Wandler für relevanter halten und warum?

Die AC- und DC-Tests weisen unterschiedliche Vor- und Nachteile auf. Durch den bipolaren Stresstest werden kapazitive Anteile erkennbar, und die Akzeptanz bei Prüfhäusern ist generell höher. Im Gleichspannungstest werden Leckströme für die Isolationswertbestimmung genauer bestimmt und Fehlstellen lassen sich leichter präziser entdecken. Beide Testarten haben eine Daseinsberechtigung und sind sinnvoll, jedoch ist DC generell schonender.

Wie groß ist Ihrer Ansicht nach der Beratungs- und Schulungsbedarf auf der Kundenseite, was das Thema Isolation von Schaltnetzteilen betrifft? Wo klaffen nach Ihrer Erfahrung die größten Wissenslücken?

Ohne Zweifel ist die Isolation in DC/DC-Wandlern essenziell für Sicherheit, Funktionalität und Zuverlässigkeit und in der Zulassung des Endprodukts ein unabdingbarer Parameter. Unsere Kollegen aus dem FAE-Team oder dem Techsupport arbeiten hier extrem gewissenhaft, und die Sicherheit des Kunden beziehungsweise der Applikation steht an erster Stelle. Gerade im Bereich Sicherheit werden mitunter aus mangelnder Erfahrung zu hohe Anforderungen gestellt. In der Umkehr ist aber, wie vorhin schon mitgeteilt, das Unwissen über Isolation häufig auch ein Grund zur Auswahl unpassender Produkte. Zwar wäre im Sinne »doppelt hält besser« die größere Vorsicht zu begrüßen, jedoch geht hier schnell der Kostenfaktor oder auch mal die Baugröße mit ein, was ein Kipppunkt für oder gegen eine Applikation sein kann. Wir versuchen deshalb, alle Aspekte der Schaltung zu verstehen, um das am besten passende Produkt aus unserem Portfolio anzubieten, um sowohl technisch als auch kommerziell das Beste herauszuholen.