Reinforced isolierte DC/DC-Wandler machen IGBT-Schalter zuverlässiger

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Neben der Höhe der Prüfspannung unterscheidet man auch die Güte der Isolation. Die einfachste Form (die funktionale Isolation) wird durch einen Transformator erreicht, bei dem Primär- und Sekundärwicklung direkt übereinander gewickelt werden. Die dünne Lackschicht der Kupferdrähte genügt bereits, einer Prüfspannung von 1000 V_DC/s standzuhalten. Allerdings machen hohe Umgebungstemperaturen, Feuchte, Vibration oder auch kurzzeitige Spannungsspitzen den Lack mit der Zeit mürbe. Irgendwann kommt es zum Defekt, obwohl die Spezifikation ursprünglich völlig ausreichend war.

Bild 5: Die von UL für die Medizinelektronik definierten Luft- und Kriechstrecken der Reinforced-Isolation sorgen auch in IGBT-Schaltungen für mehr Sicherheit
(Quelle: RECOM)

Deshalb hat UL (Underwriters Laborities) oberhalb dieser funktionalen Isolation drei Qualitätsklassen etabliert, für die konkrete Luft- und Kriechstrecken vorgeschrieben sind (Bild 5). In der unteren Klasse (Basic) sind für einen Wandler mit 24 V_DC Eingangsspannung Luft- und Kriechstrecken von 0,5 mm bzw. 1,0 mm erforderlich. Bei der Luftstrecke handelt es sich um den direkten Punkt-zu-Punkt-Abstand und bei der Kriechstrecke um den Weg entlang der Oberfläche. Mit auf 1,0 mm bzw. 2,0 mm verdoppelten Werten wartet die Mittelklasse auf (Supplementary genannt).

Für die Oberklasse mit Reinforced-Isolation sind beim selben Wandler bereits 2,0 mm bzw. 4,0 mm erforderlich – also um Faktor 4 mehr als bei der Basic-Isolation. Für Geräte der Medizinelektronik ist eine reinforced Isolation erforderlich. In der Leistungselektronik gibt es keine Vorgaben dieser Art. Es darf aber als gesichert angenommen werden, dass reinforced isolierte Wandler den im Lebenszyklus eines Wechselrichters auftretenden Stressfaktoren weitaus besser gewachsen sind als Basic oder gar Functional isolierte Wandler. Deshalb werden in IGBT-Applikationen trotz etwas höherer Kosten zunehmend reinforecd isolierte DC/DC-Wandler verwendet.

Durch eine neue, zum Patent angemeldete Trafokonzeption ist es RECOM-Ingenieuren in jüngster Vergangenheit gelungen, reinforced isolierte Wandler nicht nur kleiner, sondern auch erheblich preiswerter zu machen. Die Entscheidung für mehr Sicherheit ist damit heute keine Frage des Preises mehr.

DC/DC-Wandlersortiment für IGBT-Applikationen

Neben einer Reihe funktional isolierter Wandler bietet RECOM mit den Serien RK-xx15S/RK-xx09S (4000 V_DC/1s), RP-xx12D/RP-xx15D (5200 V_DC/1s) und RV-xx15D (6000 V_DC/1s) hoch isolierte Produkte an, die bereits sehr erfolgreich in IGBT-Applikationen zum Einsatz kommen.

Ganz neu sind die mit 6400 bzw. 8000 V_DC/s Isolationsspannung ausgestatteten Serien Rxx/Pxx bzw. Rxx/P2xx. Sie haben Nennleistungen von 1 W bzw. 2 W und werden im Platz sparenden SIP7-Gehäuse auch mit Reinforced-Isolation geliefert. Die 2-W-Version gibt es als RV-Serie alternativ auch im DIP24-Gehäuse, um als Drop-In sehr einfach in existierenden Designs eingesetzt werden zu können. Der Wirkungsgrad liegt bei 88% - die Betriebstemperatur darf bei natürlicher Kühlung und ohne Derating bis zu +85 °C betragen.

Bild 6: Trotz kleinster Abmessungen sind die Wandler der Rxx/Pxx-Serie optional mit Reinforced-Isolation bis 8 kV (DC)/s lieferbar
(Bild: RECOM)

Ebenfalls im DIP24-Gehäuse untergebracht sind die beiden leistungsstärksten REC-Familien mit 8000 oder 10.000 V_DC/s Isolationsspannung. Sie leisten mit 3,5 W bzw. 6 W rund 20% mehr als vergleichbare Modelle ohne Reinforced-Isolation. Der Wirkungsgrad erreicht mit bis zu 86% einen hervorragenden Wert. Dies wirkt sich positiv auf die zulässige Betriebstemperatur aus, die für den REC3.5 mit +85°C bei natürlicher Kühlung und ohne Derating spezifiziert ist. Die Gehäusetemperatur darf dabei bis zu +105 °C erreichen.

Trotz der technisch aufwändigen Isolation liegen die Preise nur unwesentlich über denen der bislang verfügbaren Technik und zum Teil deutlich unter jenen vergleichbarer Produkte. Wie bei RECOM-Wandlern üblich beträgt die Gewährleistung 3 Jahre. Alle Wandler werden in der Entwicklungsphase im eigenen Umweltlabor ausgiebigen HALT-Tests unterzogen, um eine lange Lebensdauer garantieren zu können.

* * Reinhard Zimmermann ist Produkt Marketing Manager bei RECOM Electronic GmbH, Neu-Isenburg.

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