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Was bei isolierten 1-W-DC/DC-Wandlern zu beachten ist

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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.

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Was ist unter der Angabe 4000 VDC 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 und 3000 VDC 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 Bild 5 zu sehen ist, ist die geforderte Isolationsspannung eines Wandlers proportional seiner Arbeitsspannung.

Die Angabe „4000 VDC Isolationsspannung“ kann nun differenzierter gelesen werden. Eine Isolationsspannung von 4 kVDC würde nach der Grafik bedeuten, dass der Wandler mit einer Arbeitsspannung von bis zu 1450 VDC verwendet werden könnte. Wandler im Kleinleistungsbereich, die eine derartige Angabe zur Isolationsspannung haben, sind aber nur bis 24 VDC oder max. bis 72 VDC 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 VDC erfüllen und gewährleisten mit einem Wert von 4000 VDC die sichere Funktionalität für viele Applikationen.

Solutions

Die WE-FISM (Fixed Isolated SIP Module) MagI3C Power Module integrieren Transistoren, Gleichrichterdioden, den isolierten Transformator sowie Eingangs- und Ausgangskapazitäten. Dadurch lässt sich das WE-FISM Power Modul sehr leicht in eine bestehende Schaltung implementieren. Es werden keine weiteren Komponenten zur Funktion des Power Moduls benötigt. Im Kapitel APPLICATION CONSIDERATIONS des Datenblattes sind Werte für getestete Filter und deren Komponenten Werte aufgeführt. Würth Elektronik bietet ein breites Produktspektrum isolierter Wandler mit funktionaler Isolation an. In Bild 6 ist das derzeitige Portfolio der isolierten MagI3C Power Module dargestellt. Derzeit sind WE-FISM mit folgenden Daten verfügbar:

  • Eingangsspannung: Uin = 3,3 – 24 VDC,
  • Ausgangsspannung: Uout = 5VDC,
  • Ausgangsstrom: Iout = 200 mA,
  • Isolationsspannung: UISO = 1000 VDC/4000 VDC,
  • Package: Industrial SIP-4 / SIP-7,
  • Pinning: Industrial Standard.

Diese 1-Watt-Wandler werden in folgenden Anwendungen eingesetzt:

  • Schnittstellen/ Busisolation – RS232, RS485, CAN, Interbus, Profibus,
  • Isolation von digitalen Schaltungen,
  • Versorgung von isolierten Verstärkern, A/D-Wandler,
  • Mess- und Datenerfassung.

* Timur Uludag, Product Manager MagI3C Power Modules, Würth Elektronik eiSos.

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