EN-60950-1-konforme DC/DC-Konverter für Sinus-Wechselrichter erhöhen Sicherheit

Da sich Spannung und Frequenz relativ einfach an die Anforderungen des jeweiligen Verbrauchers anpassen lassen, gelten Wechselrichter für viele elektrische Geräte, Maschinen und Anlagen als geradezu ideale Energiequelle. Zu den typischen Einsatzgebieten gehören neben Aufzügen, Klimaanlagen und Verarbeitungsmaschinen zunehmend auch Photovoltaik- und Windenergieanlagen zur Gewinnung erneuerbarer Energie. Schon heute leisten Wechselrichter mit hohen Wirkungsgraden einen wesentlichen Beitrag zur Verbesserung der weltweiten Energieeffizienz.

Bild 1: Das Blockschaltbild eines Wechselrichters mit Messeinrichtung. Die Spannungswandler und die Messeinheit müssen die Potenzialbarriere zwischen der Kleinspannung und dem gefährlichen Bereich überbrücken. SE Spezial-Electronic

Herausforderung beim Wechselrichterentwurf

Aktuelle Sinuswechselrichter mit IGBT-Brücke und PWM-Ansteuerung arbeiten mit Schaltfrequenzen von 1 bis 50 kHz und unterstützen Eingangsspannungen bis in den Kilovoltbereich. Dabei können an den IGBTs Schaltflanken mit bis zu ±20 kV/µs entstehen. Für jene Teile des Wechselrichters, die galvanisch mit der IGBT-Brücke in Verbindung stehen – dazu zählen neben den IGBT-Treibern und Monitoring-Baugruppen auch die gegebenenfalls zusätzlich erforderlichen Bausteine für ihre Stromversorgung – stellt dies eine gewaltige Herausforderung dar. Bild 1 verdeutlicht die Problematik anhand der Blockschaltung eines Wechselrichters, der mit einer Messeinrichtung (Sampling Circuit) und einem 24-V/9-V-DC/DC-Konverter ausgerüstet ist. Beide Baugruppen überbrücken die Potenzialbarriere zwischen einem SELV-Stromkreis (Safety Extra Low Voltage, Kleinspannung) und einem Bereich mit einer gefährlichen Spannung. Für diesen Fall schreibt EN 60950-1 die Potenzialtrennung mit einer sicheren Isolierung vor. Hinsichtlich des Signalpfades der Messeinrichtung lässt sich diese Forderung mit Unterstützung entsprechend geeigneter Optokoppler meist noch relativ leicht erfüllen. Ganz anders sieht es hingegen auf Seiten des DC/DC-Wandlers aus.

Die meisten Stromversorgungen sind eingangsseitig mit einem AC/DC- und ausgangsseitig mit einem DC/DC-Konverter ausgestattet. In solchen Strukturen sorgt üblicherweise der AC/DC-Konverter mit einer verstärkten Isolierung für die erforderliche Potenzialtrennung zum Versorgungsnetz (1^st Isolation Barrier). Der DC/DC-Konverter kann die Reduzierung von Gleichtaktstörungen mit einer eigenen Isolierung (2^nd Isolation Barrier) unterstützen. Diese muss dann aber lediglich den Anforderungen von SELV-Stromkreisen genügen. Viele DC/DC-Konverter verfügen deshalb nur über eine Funktionsisolierung, die für den beschriebenen Einsatzfall in einem Wechselrichter schlichtweg nicht ausreichend ist.

Bild 2: Mornsun hat einen Transformator mit verstärkter Isolierung nach EN 60950-1 entwickelt. Er eignet sich für Versorgungsspannungen bis 480 V_AC. SE Spezial-Electronic

Verstärkte Isolierung

Um dieses Problem nachhaltig zu lösen, hat der chinesische Stromversorgungsspezialist Mornsun spezielle DC/DC-Konverter mit einer Isolierung nach EN 60950-1 entwickelt (Bild 2), die sich durch einige konstruktive Besonderheiten wie beispielsweise eine Dreifachisolierung für den Wickeldraht des Transformators und eine Luftstrecke von 6,4 mm zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangskreis auszeichnen. Damit eignen sich diese neuen Konverter auch für Baugruppen und Geräte, die von Versorgungssystemen mit Leiterspannungen von 400 V_AC (Europa, 50 Hz) oder 480 V_AC (USA, 60 Hz) gespeist werden.

Damit die verstärkte Isolierung zusätzlich einen Beitrag zur Dämpfung der eingangs erwähnten IGBT-Transienten liefert, muss sie über eine besonders geringe Isolationskapazität verfügen. Bekannte Pfade für die kapazitive Übertragung von Störungen in DC/DC-Konvertern sind die Streukapazitäten von Transformator und optischer Rückkopplung sowie die Y-Kondensatoren zur Optimierung des EMV-Verhaltens. Mornsun verwendet deshalb für seine Neuentwicklungen Transformatoren mit besonders geringen parasitären Kapazitäten. Durch den Verzicht auf eine optische Rückkopplung (Royer-Topologie) und Y-Kondensatoren lassen sich Isolationskapazitäten bis minimal 3,5 pF realisieren.

Die Isolierung prüfen

Die neuartigen zertifizierten DC/DC-Konverter mit verstärkter Isolierung erfüllen nicht nur alle grundsätzlichen technischen Voraussetzungen für einen Einsatz in Wechselrichtern unter den eingangs geschilderten Bedingungen, sie werden auch besonders sorgfältigen Qualitäts- und Zuverlässigkeitsprüfungen unterzogen. So müssen alle Bauteile neben einem Spannungs- und einem Impulstest auch einen besonders aufwendigen Teilentladungstest (Partial-Discharge-Test, PDT) bestehen. Die Durchführung erfolgt dabei jeweils in enger Anlehnung an die Vorgaben der Normen EN 61800-5-1 und EN 60664-1.

Beim Spannungstest (Hi-Pot-Test) wird die Prüfspannung rampenförmig bis auf den vorgesehenen Maximalwert (zum Beispiel 4242 V_DC) erhöht und bleibt dann für etwa eine Minute konstant. Sofern der Leckstrom einen vorgegebenen Grenzwert von beispielsweise 1 mA nicht überschreitet und keine Überschläge oder Durchbrüche auftreten, ist der Test bestanden. Der Hi-Pot-Test ermöglicht die schnelle Identifizierung von Produkten, deren Isolierung einen erheblichen Mangel aufweist.

Beim Impulstest (Impulse-Voltage-Test) wird der Prüfling Spannungsimpulsen mit einer Anstiegszeit/Dauer von 1,2/50 µs und einer Amplitude von 6 kV ausgesetzt. Dieser Funktionstest wird vor allem für Stichproben in der Fertigung genutzt. Wie beim Hi-Pot-Test kann es auch beim Impulse-Voltage-Test zu einer Beschädigung oder Zerstörung der Isolierung kommen. Dieses Risiko tritt beim im Folgenden beschriebenen Teilentladungstest (PDT) nicht auf.

Bild 3: Mithilfe der beim Partial-Discharge-Test angelegten Prüfspannung (linker Teil) lassen sich das Auftreten und die Größe von Teilentladungen feststellen (rechter Teil). SE Spezial-Electronic

Teilentladungstest

Fehlerbereiche in Isolationssystemen, zum Beispiel Hohlräume, Einschlüsse, Inhomogenitäten oder Beschädigungen, haben meist eine geringere Permittivität als ihre Umgebung. Dadurch bewirken sie einen lokalen Anstieg der Feldstärke, der schon bei relativ kleinen Isolationsspannungen zu sogenannten Teilentladungen führen kann. Mit dem Partial-Discharge-Test (PDT) kann das Auftreten und die Größe dieser Teilentladungen festgestellt werden. Mornsun verwendet hierfür eine Testspannung, die zunächst rampenförmig auf 1,875 · U_PD ansteigt und danach für bis zu 5 s bei diesem Wert verharrt. Anschließend sinkt die Spannung auf 1,5 · U_PD und hält diesen Pegel für bis zu 15 s (Bild 3).

In der zweiten Phase werden die Teilentladungen gemessen. Liegen diese jeweils unter 10 pC, hat die Isolierung den Test bestanden. Die nominelle Testspannung U_PD für den PDT ist definiert als die Summe der wiederkehrenden Scheitelspannungen in den Stromkreisen, die durch die Isolierung getrennt werden. Diese Spannung ist zumeist deutlich geringer als die Prüfspannungen für den Spannungstest und den Impulstest. Dadurch ist der PDT ein besonders schonender Test, der die Isolierung nur wenig beansprucht.

Bild 4: Referenzdesign mit dem hochisolierten DC/DC-Wandler H2409S-2W-GM. Der Konverter eignet sich für Netze mit Spannungen bis 480 V_AC. SE Spezial-Electronic

Referenzdesign für Wechselrichter

Als ersten DC/DC-Konverter mit verstärkter Isolierung hat Mornsun kürzlich den Baustein H2409S-2W-GM vorgestellt. Ein mit Prüfspannungen von 2,5 kV (Phase 1) und 2,0 kV (Phase 2) und geringfügig verlängerten Prüfzeiten (15 s / 25 s) durchgeführter Partial-Discharge-Test ergab Teilentladungen von deutlich unter 10 pC. Dies zeigt, dass dieser Konverter über eine besonders hochwertige Isolierung verfügt. Seine Ausgänge dürfen mit dem Leistungskreis eines Wechselrichters in Verbindung stehen, während die Eingänge an eine 24-V-Spannungsquelle in einem SELV-Stromkreis angeschlossen sind (Bild 4). Der mit einem Kurzschlussschutz ausgestattete Konverter hat eine Isolationskapazität von unter 10 pF und eignet sich für einen Einsatz in Systemen, die sich aus Netzen mit Spannungen bis 480 V_AC speisen.

(wp/lei)