A szigetelt DC/DC-átalakítók fajtái és használatuk

A DC-DC-átalakítók a bemenet és kimenet közötti csatolás tekintetében kétféle kivitelben készülnek: galvanikusan szigetelt és leválasztott, illetve anélküli kivitelben. Ez lehetővé teszi a DC/DC átalakítók sokoldalú alkalmazását. Az, hogy a kimenet galvanikusan le van választva a bemenettől és nincs közös földpont több előnnyel is jár. Ilyen például, hogy a bemenet felől jövő zajok sokkal nehezebben jutnak el a kimenetig, a kimeneti pontok szabadon köthetőek különféle potenciálokra, valamint érintésvédelmi okokból biztonságosabb mint a leválasztás nélküli típusok.

A kimeneti pontok kötésének szabad megválasztása sokféle kimeneti feszültség-kombináció kialakítását teszi lehetővé. Például egy +5V kimenettel rendelkező szigetelt DC-DC-átalakítóval -48V bemenet esetén polaritás fordítást végezhetünk, vagy összegezhetjük a bemeneti és kimeneti feszültségeket, akár szimmetrikus kimeneti feszültséget állíthatunk elő a szimpla bemenetről. A különféle kombinációk az alábbi rajzon láthatóak:

A szigetelés mértéke függ a DC/DC-átalakító robusztusságától, kivitelétől. Az általában alkalmazott szigetelési kategóriák az alábbiak:

• Funkcionális: a kimenet szigetelt, de nincs külön kialakítás érintésvédelemre
• Alap: a szigetelés érintésvédelmet biztosít mindaddig, míg a szigetelő akadály sértetlen
• Kiegészítő: kiegészítő szigetelő réteget tartalmaz, a különféle szigorú szabványok teljesítése érdekében
• Megerősített: egyszeri szigetelés, mely elektromos paramétereiben megfelel az alap szigetelés kétszeresének.

Hogyan valósíthatók meg a fenti kategóriák a gyakorlatban a transzformátorok kialakítása esetén?

 Funkcionális szigetelés

A funkcionális szigetelés esetén a primer és a szekunder tekercs általában egymás alatt, vagy felett helyezkedik el. A szigetelést a vezetéken található lakkréteg jelenti. A megoldás előnye, hogy olcsó és kis helyet foglal, mindamellett a konstrukcióval el lehet érni akár a 4kV szigetelés átütési feszültséget is, korlátozott időre és nem ismételve.

Tipikus alkalmazása olyan DC-DC-konverterekben, ahol az érintésvédelem nem kritikus szempont és a szigetelés célja a földpont szétválasztása és a zajt szállító vezetékek megszakítása. Ezekben az alkalmazásokban a szigetelés sérülése nem okoz sérülést vagy károsodást a berendezésben, és nem okozza a készülék működésének leállását. A szigetelés megléte fokozott megbízhatóságot és nagyobb zajelnyomást jelent, de érintésvédelem szempontjából nem teljesíti a szigorúbb követelményeket.

Jó példa erre pl. a CAN-busz kommunikációs rendszer. A CAN-busz specifikációja nem írja elő, hogy a csomópontok egymástól el legyenek szigetelve, de a szigetelés megléte sok potenciális interferenciát, zavarforrást kiküszöböl, annak köszönhetően, hogy a kommunikációs vonal két vége között szigetelés van, az adó és vevő áramkörök különböző potenciálon vannak. Minden fellépő interferenciát elnyom a kommunikációs vonal differenciális kialakítása annak veszélye nélkül, hogy a folyó áramok interakciója veszélyeztetné a jel integritását. Ez az oka annak, hogy általában szigetelt CAN-busz vonalakat alkalmaznak a nagy robusztusságot igénylő ipari alkalmazások területén, gyártósorok mellett. A lenti képen egy fejlesztő kártya látható mellyel szigetelt CAN-busz kommunikáció valósítható meg.

Alap szigetelés

Az alap szigetelés kategória megköveteli a megfelelő átütési szilárdság meglétét, a szigetelőanyag jelenlétét a primer és a szekunder tekercs között a kívánt átütési feszültség értékének megfelelően. Ebben az esetben a vezetéken található lakk nem elegendő, mivel a lakkrétegen kisebb levegő buborékok lehetnek. Ebben a konstrukcióban a primer és a szekunder tekercs nincs közvetlenül egymásra tekerve, hanem vagy megfelelő távolság, vagy szabványnak megfelelő szigetelő réteg van közötte. (4.kép)

Ezt a módszert a nagyobb méretű transzformátorok gyártásánál alkalmazzák, ahol elegendő hely áll rendelkezésre ahhoz, hogy a két tekercs egymástól távol kerüljön, vagy megfelelő vastagságú szigetelő réteg helyezhető el a két tekercs közé. A kompakt, helytakarékos DC-DC-átalakítók kialakításánál meg kellett találni a módját annak, hogy kis helyfoglalás mellett megfelelő szigetelő távolság, vagy szigetelő réteg legyen a két tekercs között. Az 5. ábra egy transzformátort mutat, amely elválasztóhidat használ a tekercsek fizikai elválasztására. Kiegészítésként a ferritmagot műanyaggal vonják be, ezáltal külön el van szigetelve mindkét tekercstől. A RECOM RxxPxx és RxxP2xx sorozat tagjai ilyen transzformátort tartalmaznak és így 6,4kV DC szigetelési feszültség érhető el annak ellenére, hogy ezek az átalakítók miniatűr SIP8-as tokban helyezkednek el.

A szigetelés másik módja egy speciális ferritmag szigetelő betéttel. Ebben az előállítási eljárásban a primer tekercset egy műanyag tokba helyezik, amit megtöltenek epoxigyantával. Fedéllel lezárják, majd a második tekercset az egész konstrukció körül a közepén lévő furaton keresztül tekercselik. A szigetelés nem függ a transzformátor vezetékein található lakktól, a szigetelést a műanyag tok és az epoxigyanta kitöltés adja. A gyártási folyamatok biztosítják, hogy az epoxi és a fedő minősége és vastagsága megfeleljen az alapszigetelés minimális követelményeinek a megadott rendszerfeszültségre.

A RECOM RPxx sorozat tagjai ilyen transzformátort tartalmaznak és így 5,4kV DC szigetelési feszültség érhető el, az átalakító miniatűr SIP7-as tokban van elhelyezve. Annak ellenére, hogy ez a gyártási módszer bonyolult, ezzel a módszerrel előállított transzformátorok kompakt, kis méretben előállíthatók, stabil szigetelés paraméterekkel rendelkeznek, és a paraméterek időállósága is nagyon jó. Ennek köszönhetően az RPxx sorozat tagjai az egyik legmegbízhatóbb, legstabilabb megoldást jelentik a magas szigetelési feszültséget igénylő, igényes alkalmazásokban, mint pl. katonai eszközök. (RP-0505D, RP-2412D)

Megerősített szigetelés

Megerősített szigetelés alkalmazása esetén a bemeneti és a kimeneti tekercseket nagyobb távolság, vagy legalább két fizikai akadály választja el, mindegyik egyenértékű az alapszigeteléssel.

A többrétegű szigetelés azonban a transzformátort nagyobb méretűvé teszi, ami korlátozza a lehetséges miniatürizálást. A többrétegű szigetelés egyik módja a hármasszigetelt (TIW) transzformátorvezetékek használata, amelyeket már megerősített szigetelésnek minősítettek. Az ilyen típusú vezetékek felhasználásával a RECOM sikeresen létrehozta a REM1 és REM2 DC/DC átalakítók sorozatát, amelyek orvosi igazolást nyertek az IEC / EN / UL 60601-1 biztonsági szabványnak, 4 kVAC / 1 perc szigeteltséggel, 2 x MOPP -vel) és 250 VAC üzemi feszültség szigetelés SIP7 tokozásban.

Forrás: www.recom-power.com