Понимание изоляции в DC/DC-преобразователе
Хотя, как правило, DC/DC-преобразователи доступны без изоляции между входом и выходом, во многих из них все же использован внутренний трансформатор для их электрического (в «техничке» это называется «гальванического») разделения. Это делает DC/DC-преобразователи более универсальными. Наличие плавающих выходов, то есть не связанных по общему проводу («земле») относительно входных клемм, означает, что контуры заземления могут быть установлены произвольно. Это весьма полезно на практике, поскольку может применяться для снижения помех в электрических системах, для формирования выходного напряжения нужной полярности и, конечно, таким путем можно образовывать изолирующий барьер — важный элемент безопасности для предотвращения поражения электрическим током, а кроме того, разделение входа и выхода изоляцией уменьшает опасности, вызванные неисправностью.
Поскольку выход изолирован от входа, выбор точки заземления, или общего провода, который будет под нулевым потенциалом, для входной или выходной стороны является произвольным. Так, изолированный DC/DC-преобразователь с выходным напряжением 5 В может использоваться для изменения уровня напряжения и полярности, например, +5 В от источника –48 В на входе, добавления к существующему напряжению, скажем, генерации +20 В от источника +15 В, или для создания от одного источника питания выхода с двуполярным напряжением, в частности ±5 В от +5 В. В большинстве случаев такие решения просты и экономически более целесообразны. На рис. 1 показаны некоторые возможности, доступные при использовании изолированных DC/DC-преобразователей.
Степень изоляции зависит от прочности изолирующего барьера. Для DC/DC-преобразователей наиболее часто используемые виды изоляции — это:
- Функциональная изоляция (Functional insula-tion) — изоляция между проводящими частями с разным напряжением, которая необходима только для надлежащего функционирования устройства, но при этом не обеспечивает гарантированную защиту от поражения электрическим током.
- Основная изоляция (Basic insulation) — изоляция токоведущих частей, обеспечивающая основную защиту от поражения электрическим током, она создает защиту до тех пор, пока изоляционный барьер не поврежден.
- Дополнительная изоляция (Supplementary insula-tion) — независимая изоляция, дополняющая основную изоляцию с целью обеспечения защиты от поражения электрическим током в случае повреждения основной изоляции, в ряде случаев требуется для резервирования.
- Усиленная изоляция (Reinforce insulation) — единая система изоляции токоведущих частей, которая в условиях, предусмотренных стандартом по безопасности, обеспечивает такую же степень защиты от поражения электрическим током, как и двойная изоляция.
Как же эти классы изоляции перевести в практическую конструкцию трансформатора?
Функциональная изоляция
Для реализации функциональной изоляции первичная и вторичная обмотки трансформатора обычно наматываются непосредственно друг на друга, изоляционный барьер формируют, полагаясь лишь на толщину лакового покрытия проводов обмоток (рис. 2). Преимущество этого метода состоит в том, что он недорогой и дает возможность выполнить трансформатор очень компактного размера. Однако, несмотря на небольшие размеры, трансформатор с таким изоляционным барьером при проверке электрической прочности изоляции может однократно выдержать испытательное напряжение до 4 кВ, но с ограниченной продолжительностью воздействия и, как уже сказано, в качестве неповторяющегося события.
Типичные области применения для функциональной изоляции в DC/DC-преобразо-вателях включают не требующие принятия гарантированных мер по безопасности и не критически важные системы, где изоляция в основном используется для разрыва контуров заземления, блокировки путей помехи или обеспечения изменения функционального заземления. В этих случаях неисправность (или пробой) изоляции не может привести к травме или серьезному повреждению оборудования, а часто даже к прекращению работы приложения. Изоляция обеспечивает дополнительную защиту от помех или повышает надежность, но не связана с безопасностью.
Хорошим примером служит система передачи данных по шине CAN [2].
Спецификация шины CAN не указывает, что провода шины должны быть изолированы, но на практике изоляция интерфейса устраняет многие потенциальные источники ошибок или влияние помех при передаче данных. Поскольку оба конца шины изолированы, передатчик и приемник могут без проблем работать на разных потенциалах «земли». Любые электрические помехи игнорируются топологией дифференциальной шины, без угрозы возникновения внешних электромагнитных полей, вызывающих синфазные токи в проводке. Это одна из причин, по которой изолированные системы CAN-Bus часто применяются на предприятиях промышленной автоматизации и производственных процессах. На рис. 3 показана оценочная плата, которая использует один из SMD DC/DC-пре-образователей RECOM для обеспечения питания изолированной шины [1].
Основная изоляция
Для выполнения требований стандартов для основной изоляции необходимо реализовать надежную изоляцию между первичной или вторичной обмоткой, рассчитанную на напряжение электрической прочности системы. Лаковая изоляция на проводе обмотки здесь недостаточна, поскольку могут иметься неоднородности покрытия и его нарушения. В трансформаторе с основной изоляцией входная и выходная обмотки не намотаны непосредственно друг на друга, а разделены минимальным расстоянием или физическим барьером, таким как предусмотренная стандартами и одобренная сертификационными лабораториями изоляционная пленка (рис. 4).
Этот метод может использоваться в трансформаторах большего размера, где достаточно места для добавления слоев изолирующей ленты между обмотками.
Для компактных DC/DC-преобразователей необходимо найти способы обеспечить основную изоляцию, не делая трансформатор слишком габаритным. На рис. 5 показан трансформатор, который для физического разделения обмоток использует их раздельную намотку. Кроме того, сердечник из ферритового кольца имеет пластиковое покрытие, поэтому он также изолирован от обмоток. В сериях DC/DC-преобразователей RxxPxx и RxxP2xx компании RECOM предлагается именно этот тип конструкции. Устройства серийно изготавливаются в компактном корпусе SIP8 (размеры: 19,512,59,8 мм) и испытаны на электрическую прочность изоляции до 6,4 кВ напряжения постоянного тока.
Существует и еще один способ изготовления трансформатора с основной изоляцией. В нем предусмотрена специальная конструкция сердечника и разделение обмоток изоляцией с изолирующим элементом типа горшка. В данной конструкции ферритовый сердечник с одной обмоткой (обычно первичной) помещается в пластиковый корпус, затем этот корпус заполняется эпоксидной смолой и закрывается крышкой. Потом вокруг всей инкапсулированной конструкции через отверстие в середине наматывается вторая обмотка (рис. 6). В этой конструкции изоляция уже не зависит от лакового покрытия проводов трансформатора, а независимо обеспечивается через пластиковый корпус и эпоксидное наполнение. Производственные процессы гарантируют, что качество и толщина эпоксидной смолы и крышки при указанном напряжении системы обеспечивают соответствие требованиям стандартов безопасности для основной изоляции.
Этот тип конструкции трансформатора используется в серии DC/DC-преобразователей RP-xxxx компании RECOM, чтобы гарантировать номинальное испытательное напряжение постоянного тока изоляции 5,2 кВ в компактном корпусе SIP7 (19,610,27 мм). Хотя данный метод более сложен в изготовлении, он дает очень компактный трансформатор с надежной и стабильной изоляционной характеристикой, которая не ухудшается со временем. Это делает серию RP одной из самых надежных в портфеле RECOM DC/DC-преобразователей с высокой электрической прочностью изоляции, которые применяются в самых различных областях — от военных самолетов до высоковольтного испытательного оборудования.
Усиленная изоляция
При усиленной изоляции входная и выходная обмотки разделены большим расстоянием или по крайней мере двумя физическими барьерами, каждый из которых соответствует номинальной основной изоляции (рис. 7).
Здесь корень проблемы в том, что несколько слоев изоляции делают трансформатор более объемным, а это в свою очередь ограничивает возможную степень миниатюризации. Один из способов решения этой проблемы — применение трансформаторных проводов с тройной изоляцией (triple insulated, TIW), которые уже классифицированы как обеспечивающие усиленную изоляцию. Используя этот тип провода, компания RECOM смогла создать серию DC/DC-преобразователей REM1 в корпусе SIP 7 (рис. 8) [5], которые в медицинских целях сертифицированы в соответствии со стандартом безопасности IEC/EN/UL 60601-1 с изоляцией 5,2 кВ (постоянного тока) и 4 кВ (переменного тока)/1 мин, как 2MOPP (меры «Защита пациента», подробнее в [3, 4]), и гарантируют изоляцию для рабочего напряжения 250 В переменного тока [5].
Данный DC/DC-преобразователь завершает серию преобразователей медицинского применения REM3, REM6 и REM10 [6], которая была подробно рассмотрена ранее в [7].
- Power Supplies for Distributed Power Architecture.
- Джи Р. (Gee R.). CAN против RS‑485: почему тенденция направлена в сторону CAN // Компоненты и технологии. 2018. № 1.
- Бейлис А.-М. Безопасное использование DC/DC-преобразователей: требования третьей редакции стандарта IEC 60601-1 // Компоненты и технологии. 2015. № 11.
- Ле Февр П. Электро-питание и проблемы электромагнитной совместимости оборудования при работе в медицинских средах // Компоненты и технологии. 2016. № 5.
- REM1 1 Watt SIP7 Single Output.
- Medical Power Supplies RECOM.
- https://recom-power.com/ru/rec-n‑board-mount-dc-dc-converters-in-medical-applications‑59.html?0