Isolamento rinforzato per trasformatori Dc/Dc

SISTEMI DI POTENZA –

Grazie a particolari tecnologie di isolamento rinforzato, i convertitori sviluppati da Recom sono in grado di fornire il 20% di potenza in più con la stessa efficienza dei loro equivalenti con isolamento funzionale.

I convertitori Dc/Dc offrono un isolamento galvanico (tra ingresso e uscita) tipico di 1 kV Dc. Ciò significa che il convertitore resiste a una tensione di test di 1000 Vdc applicata per 1 secondo fra i pin d’ingresso e di uscita senza il cedimento dell’isolamento del trasformatore. Questa caratteristica dei convertitori Dc/Dc ha molti aspetti utili: l’isolamento galvanico interrompe i loop di massa e perciò rimuove il rumore del segnale dal circuito, permettendo che le informazioni siano trasmesse fra due circuiti indipendenti alimentando remotamente un circuito tramite l’altro, consente conversione di tensioni da positiva a negativa e viceversa. Inoltre permette che molte unità condividano informazioni e bus di alimentazione comuni senza il problema che un modulo guasto comprometta l’intera rete e, soprattutto, agisce come una barriera di sicurezza per prevenire le scariche elettriche e per evitare la possibilità d’intensità di corrente eccessiva che potrebbe provocare un surriscaldamento o innescare un incendio. Nonostante un isolamento di un migliaio di Volt sembri impressionante, la struttura dei trasformatori è molto semplice. Un tipico convertitore Dc/Dc a bassa potenza usa un trasformatore interno toroidale o di tipo a bobina consistente di avvolgimenti primari e secondari di filo magnetico applicati su un nucleo di ferrite. Un filo magnetico standard in rame rotondo smaltato in poliuretano può avere un diametro del conduttore inferiore o uguale a 0,1 mm su un convertitore a bassa potenza da un watt con un rivestimento di pellicola plastica in poliuretano di solo 0,005 mm. Nonostante questo rivestimento isolante estremamente sottile, la resistenza dielettrica minima del filo può superare facilmente i 1000 Vdc. Se gli avvolgimenti primari e secondari sono avvolti direttamente uno sopra all’altro senza isolamento addizionale, l’isolamento galvanico sarebbe di 1 kV Dc + 1 kV Dc = 2 kV Dc. Così perfino se l’isolamento di un avvolgimento è difettoso, quello dell’altro avvolgimento potrebbe ancora sostenere l’intera tensione di test di 1 kV Dc. Ciò significa che gli avvolgimenti d’ingresso e di uscita potrebbero essere avvolti direttamente uno sopra all’altro senza compromettere l’isolamento elettrico, perfino tenendo conto che l’isolamento di un avvolgimento potrebbe essere difettoso. Questo tipo d’isolamento è chiamato isolamento operativo o funzionale. Un trasformatore con isolamento funzionale è affidabile e sicuro per la maggior parte delle applicazioni industriali e commerciali; per applicazioni critiche per la sicurezza o per classi d’isolamento superiori a 4 kV Dc non è permesso o desiderabile disporre gli avvolgimenti d’ingresso e quello d’uscita direttamente uno sull’altro, ma occorre separarli. Ma di quanto? Underwriters Laboratories ha definito il grado di separazione richiesto in accordo alla tensione di lavoro del trasformatore e a tre classi d’isolamento: di base, supplementare e rinforzato. La separazione fisica è ulteriormente suddivisa in distanza misurata sulla superficie (creepage) e distanza in aria (clearance).

Isolamento di base, supplementare e rinforzato
Le definizioni fornite per isolamento di base, supplementare e rinforzato non sono precise. L’isolamento di base è definito come “sufficiente per fornire un isolamento di base contro le scariche elettriche”, supplementare è definito come “isolamento supplementare applicato in aggiunta a quello di base per assicurare una protezione dalle scariche elettriche non fornita da quello di base” e rinforzato è definito come “un singolo sistema d’isolamento che fornisce un grado di protezione contro le scariche elettriche equivalente a un isolamento doppio (a sua volta definito come un isolamento comprendente sia l’isolamento di base che quello supplementare)”. Considerando i trasformatori usati nei convertitori Dc/Dc, molte di queste definizioni sono ricorrenti. Quand’è che il design di un trasformatore ha un isolamento di base o solo funzionale? L’aggiunta di una striscia di nastro in plastica tra gli avvolgimenti trasforma un trasformatore a isolamento funzionale in uno a isolamento supplementare? L’aggiunta di due strati di nastro in plastica lo rende un trasformatore a isolamento rinforzato?
In pratica queste definizioni formali della classe d’isolamento di un trasformatore sono solo utili se usate in collegamento con i requisiti per creepage e clearance.

Creepage e clearance
Il creepage è la più breve distanza fra due punti misurata seguendo la superficie (distanza minima misurata lungo la superficie). La clearance è la più breve distanza fra due punti misurata da punto a punto (distanza minima in aria). Se la distanza minima misurata lungo la superficie è esigua si usa in genere la distanza minima in aria per entrambe le misure. In questo modo la misura è simile al modo in cui è definito il Cti (Comparative Tracking Index). Il Cti è una misura della tensione che provoca un guasto nell’isolamento, sia per la formazione di una traccia (un percorso parzialmente conduttivo che si forma lungo o attraverso la superficie di un materiale isolante) che tramite scarica superficiale (una scintilla attraverso uno spazio in aria). Analogamente a dimensioni esigue della lunghezza misurata lungo la superficie il problema di isolamento potrebbe avvenire sia attraverso traccia che tramite scarica superficiale, così in tali situazioni creepage=clearance.

Le classi di isolamento dei trasformatori
Usando queste definizioni di creepage e clearance, UL ha definito le separazioni minime necessarie per soddisfare le tre classi di isolamento. Un convertitore Dc/Dc per applicazioni di telecomunicazione con una tensione d’ingresso da 36 a 75 Vdc richiede una clearance di almeno 0,7 mm per soddisfare l’isolamento di base e di 2,4 mm per soddisfare i criteri dell’isolamento rinforzato. Per il creepage i relativi valori minimi sono di 1,3 mm e di 4,6 mm. A tensioni di funzionamento superiori i requisiti di creepage e di clearance per la medesima classe d’isolamento sono superiori. Perciò un isolamento rinforzato di un trasformatore di alimentazione deve avere una clearance di almeno 5 mm, mentre un trasformatore che funziona da 12 Vac richiederebbe una clearance inferiore a un terzo per essere anche classificato come rinforzato. Usando le informazioni in questa tabella è possibile decidere come “separare” esattamente avvolgimenti di ingresso e di uscita per ogni applicazione e classe d’isolamento.

L’isolamento rinforzato
Considerando che un convertitore Dc/Dc industriale standard di bassa potenza è in un involucro DIP24 con dimensioni di circa 32 x 20 x 10 mm non sorprende che quasi tutti i convertitori Dc/Dc sono o con isolamento funzionale o al meglio con isolamento di base. Un trasformatore con un creepage di oltre 4,6 mm potrebbe trovare difficilmente posto in un involucro di solo 10 mm di altezza.
Nonostante i requisiti di separazione apparentemente impossibili, gli ingegneri Recom hanno ora sviluppato un convertitore Dc/Dc di dimensioni DIP 24 che soddisfa tutti i requisiti di isolamento rinforzato. Il convertitore standard sulla sinistra usa un trasformatore a bobina con isolamento funzionale. Il convertitore a isolamento rinforzato sulla destra usa una struttura del trasformatore completamente nuova (in attesa di brevetto) che garantisce una clearance minima di 2,4 mm. La pellicola in plastica gialla che si può anche vedere nella fotografia assicura un creepage minimo di 4,6 mm. Per soddisfare i requisiti il trasformatore usa una costruzione interna con strati multipli di barriere isolanti e di separazione. Tentativi precedenti di realizzare un trasformatore compatto con isolamento rinforzato non erano riusciti a causa del fatto che l’efficienza del trasformatore cala se il campo elettrico e magnetico all’interno del trasformatore non sono fisicamente vicini. Il rapporto di trasformazione campo elettrico –> campo magnetico –> campo elettrico è nettamente ridotto in presenza di larghe separazioni in aria fra gli avvolgimenti. Comunque per soddisfare i requisiti di isolamento rinforzato devono anche essere presenti delle separazioni e barriere fisiche fra avvolgimenti d’ingresso e di uscita. Così sebbene design di trasformatori simili a quelli mostrati sopra soddisfino i requisiti di separazione, normalmente non sarebbero pratici come trasformatori di convertitori Dc/Dc a causa dell’efficienza di conversione troppo bassa. Un convertitore Dc/Dc standard a isolamento funzionale ha una tipica efficienza di trasformazione di potenza dell’84% circa. Ciò significa che un convertitore che fornisce 3 W consumerà 3,6 W di potenza a carico pieno. La differenza di 600 mW fra potenza d’ingresso e d’uscita è la dissipazione di potenza interna sotto forma di calore che fa riscaldare il convertitore. Ad alte temperature ambiente è la dissipazione di potenza interna che limita la temperatura massima di funzionamento del convertitore. Se un convertitore è realizzato con un trasformatore a una bassa efficienza (ad esempio del 75%) allora la dissipazione di potenza interna sale a 1 watt, riducendo notevolmente la temperatura massima di funzionamento. Un tipico convertitore di grandezza DIP24 avrà una temperatura massima di funzionamento di +85 °C per un’efficienza dell’84%, ma solo di +71 °C per un’efficienza del 75%. Poiché l’intervallo di temperatura industriale per convertitori Dc/Dc è superiore agli 85 °C, un convertitore con un’efficienza del solo 75% verrebbe scartata da molti utenti industriali. Recom ha allora usato una combinazione di tecniche per sviluppare un sistema di trasformatore e driver che soddisfi tutti i requisiti per l’isolamento rinforzato, mantenendo però un’alta efficienza. Così i convertitori possono fornire il 20% di potenza in più con la stessa efficienza dei loro equivalenti con isolamento funzionale. I REC3.5-R8/R10 offrono 3,5 W di potenza con isolamento rinforzato di 8 kV Dc/10 kV Dc, i REC6-R8/R10 offrono 6 W di potenza con isolamento rinforzato di 8 kV Dc/10 kV Dc.

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