Broschüre
Auswahlhilfe für Flex-Leistungsmodule
Isolation – die Grundlagen
Isolation im Zusammenhang mit DC/DC-Wandlern bezieht sich auf galvanische Trennung Das bedeutet, dass kein metallischer/direkter Leitungspfad zwischen zwei Teilen der Schaltung besteht. Die Isolation stellt stets eine Barriere zwischen Eingangs- und Ausgangsstufe dar und kann für die Funktionalität, die Sicherheit oder beides der Schaltung erforderlich sein.
Abbildung 1: Typisches Schaltbild eines isolierten Stromkreises
Bei einem isolierten Wandler verfügen Eingangs- und Ausgangsstufe über separate Masseanschlüsse, während bei einem nicht isolierten Wandler der Strom direkt zwischen beiden Seiten fließen kann, da diese eine gemeinsame Masse besitzen. Die Isolation wird üblicherweise durch den Einsatz eines Transformators im Schaltkreis erreicht, sodass die Energieübertragung mittels elektromagnetischer Energie erfolgt. Dies führt zwar zu einem gewissen Wirkungsgradverlust, dieser lässt sich jedoch durch einen sorgfältig ausgelegten Transformator minimieren.
In manchen Fällen ist es erforderlich, Signale über die Isolationsgrenze hinweg zu führen. Dies ist insbesondere bei geregelten Geräten notwendig, die ein Rückkopplungssignal benötigen. Um die Isolation zu gewährleisten, müssen auch diese Signale isoliert werden. Bei Wechselstromsignalen kann ein Kleinsignaltransformator verwendet werden, während bei Gleichstromsignalen die Isolation üblicherweise durch einen Optokoppler realisiert wird.
Die Isolation wird durch elektrische Trennung der Leiter hergestellt, entweder durch Luft oder, häufiger, durch Klebeband oder anderes nichtleitendes Material. Sie wird üblicherweise als Spannung angegeben; eine Spannung oberhalb dieses Wertes kann zum Durchschlag der Isolation führen.
Isolierte Wandler – die Vorteile
Der größte Vorteil der galvanischen Trennung liegt wohl in der Einhaltung der Sicherheitsvorschriften, insbesondere bei netzbetriebenen Geräten. Die Trennbarriere verhindert, dass gefährliche Netzspannungen am Ausgang anliegen und dort in Kontakt kommen – dies ist besonders relevant in Anwendungen wie der Medizintechnik, wo der Patient direkt mit dem Stromkreis verbunden sein kann.
Es gibt vier primäre Isolationsstufen.
- Funktionale/Betriebsisolierung: Diese dient ausschließlich betrieblichen Zwecken und bietet keinen Stoßschutz.
- Basisisolierung: eine einzelne Isolierschicht, die Stoßschutz bietet
- Zusätzliche Isolierung: Fügt der Basisisolierung eine weitere Schicht hinzu, um Redundanz zu schaffen.
- Verstärkte Isolierung: Eine einzelne Barriere bietet den doppelten Schutz einer herkömmlichen Isolierung.
In vielen Anwendungen kann Rauschen ein Problem darstellen. Da isolierte Versorgungsspannungen keine gemeinsame Masse besitzen, können sie in den Schaltkreis eingefügt werden, um Masseschleifen zu eliminieren. Dies kann nützlich sein, um eine empfindliche analoge Versorgungsspannung von einer rauschbehafteten digitalen Versorgungsspannung zu trennen.
Nicht-isolierte Wandler – die Vorteile
Abbildung 2: Typisches Schaltbild eines nicht isolierten Stromkreises
Im Allgemeinen sind nicht-isolierte Wandler weniger flexibel einsetzbar als ihre isolierten Pendants. Sie bieten jedoch einige Vorteile für Entwickler, bei denen keine Isolation erforderlich ist.
Der Hauptunterschied besteht darin, dass ein nicht-isolierter Wandler keinen Transformator benötigt und keine physische Trennung zwischen Ein- und Ausgang erfordert. Dadurch sind sie in der Regel kleiner und leichter. Außerdem verbessert sich der Wirkungsgrad, da keine Transformatorverluste berücksichtigt werden müssen.
Die Konstruktion nicht-isolierter Wandler ist in der Regel einfacher, da keine Isolation der Signale erforderlich ist, die die Isolationsgrenze überschreiten. Dadurch entfällt der Bedarf an Optokopplern und/oder Signaltransformatoren. Diese Reduzierung der Materialkosten führt dazu, dass nicht-isolierte Wandler tendenziell kostengünstiger sind.
Mehrwandlersysteme
In komplexeren Systemen mit mehreren Versorgungsspannungen werden mehrere Wandler eingesetzt, um eine einzelne Eingangsspannung in alle benötigten Systemspannungen umzuwandeln. Ist eine galvanische Trennung erforderlich, müssen nicht alle Wandler isoliert sein. Häufig wird ein sogenannter ‘Bulk’-Wandler verwendet, um die Eingangsspannung vor der weiteren Wandlung auf ein niedrigeres Niveau herunterzutransformieren.
Die Mittelspannungsschiene wird als ‘Zwischenschiene’ bezeichnet, und der Hauptumrichter wird oft als ‘Zwischenschienenumrichter’ (IBC) bezeichnet. Diese Umrichter sind in Telekommunikationssystemen weit verbreitet, wo sie die Nennspannung der Batterie von 48/53 V auf 12 V umwandeln, bevor eine Reihe nicht isolierter Umrichter die für die verschiedenen Verbraucher benötigten Spannungen erzeugt. Da diese Umrichter nahe an den Verbrauchern platziert sind, werden sie oft als ‘Lastpunktumrichter’ (PoL) bezeichnet.
Da in letzter Zeit bei Hochleistungsanwendungen wie Computertechnik, Rechenzentren und künstlicher Intelligenz (KI) der Trend besteht, die Versorgungsspannung von 12 V auf 48 V zu erhöhen, vor allem um Ströme und damit verbundene Verluste zu reduzieren, wird der Zwischenbusansatz auch dort immer beliebter.
Da diese Anwendungen jedoch von einem AC/DC-Schaltnetzteil (SMPS) versorgt werden, ist eine Sicherheitsisolierung innerhalb des IBC oft nicht erforderlich, da das SMPS (bei korrekter Spezifikation) die für das System notwendige Sicherheitsisolierung bereits enthält. Dies ermöglicht es Ingenieuren, die diese Systeme entwickeln, einen neuen Typ nicht-isolierter IBCs zu nutzen, der Vorteile wie geringere Größe, höhere Leistungsdichte, höhere Effizienz und niedrigere Kosten bietet.
Die Flex-Leistungsmodule bieten derzeit verschiedene nicht-isolierte IBC-Typen. Die BMR490-Serie war die erste ihrer Art und basiert auf einem branchenüblichen digitalen Viertel-Baustein. Sie liefert eine 12-V-Ausgangsspannung bei Leistungen bis zu 1300 W (139 A) und Wirkungsgraden von bis zu 97,71 TP34T. Für Anwendungen mit höherem Leistungsbedarf ermöglicht die aktive Stromverteilung den Parallelbetrieb mehrerer Geräte.
Die BMR350 Die Serie bietet alle Funktionen des BMR490, ist aber für ein verbessertes Preis-Leistungs-Verhältnis weiter optimiert. Dieses Gerät hat eine thermische Auslegungsgrenze von bis zu 1300 W und kann eine Spitzenleistung von bis zu 1700 W liefern – eine äußerst nützliche Eigenschaft zur Bewältigung von Anlaufströmen und transienten Lastspitzen. BMR350 bietet Wirkungsgrade bis zu 97,7%.
Die BMR351 Die Serie hebt diese Leistungswerte auf ein neues Niveau und liefert eine TDP (Thermal Design Power) von bis zu 1600 W und eine Spitzenleistung von 2320 W.
Die BMR310 ist eine weitere nicht-isolierte IBC-Lösung, die 860 W Dauerleistung und bis zu 1060 W Spitzenleistung mithilfe einer neuartigen Schaltkondensatortechnologie liefert. Die kapazitive Energieübertragung mit sanftem Schalten der Leistungshalbleiter ermöglicht eine deutlich kleinere Stellfläche und ein niedrigeres Baumaß. Neben der ersten Version mit einer nur 10,3 mm hohen Grundplatte werden zukünftige Versionen ein offenes Rahmendesign aufweisen, wodurch die Gesamthöhe des IBC nochmals auf bis zu 6,5 mm reduziert wird.
Zusammenfassung
Die Isolation ist eine sehr nützliche Funktion bei Stromversorgungslösungen, da sie einen sicheren Betrieb ermöglicht, Rauschen und Masseschleifen reduziert und Flexibilität bei der Konfiguration der Spannungsschienen zueinander bietet.
Wo jedoch nicht-isolierte Wandler eingesetzt werden können, profitieren die Entwickler von einer geringeren Größe, einer höheren Leistungsdichte, einem besseren Wirkungsgrad und niedrigeren Kosten.
Die Zwischenbusarchitektur ist seit Jahrzehnten beliebt, und bis vor Kurzem war der IBC ein isoliertes Gerät. Da dieser Ansatz jedoch neue Anwendungsbereiche wie Hochleistungsrechnen und Datenkommunikation findet, ist eine Isolation im IBC nicht mehr erforderlich, da diese bereits im vorgeschalteten Schaltnetzteil vorhanden ist. In diesem Fall können Entwickler nicht-isolierte IBCs wie beispielsweise den IBC verwenden. BMR350, BMR351 und BMR310 von Flex Leistungsmodulen.
