Hlavní transformátor automobilové palubní nabíječky (OBC): proč to není místo pro vodič s trojitou izolací (TIW)

Tento článek je určen vývojovým a nákupním inženýrům v oblasti napájecích zdrojů a magnetických součástek pro palubní nabíječky (OBC, On-Board Charger) a automobilové DC-DC měniče. Možná právě hledáte vodič pro vinutí hlavního transformátoru OBC a ptáte se, zda použít vodič s trojitou izolací (TIW, Triple Insulated Wire). Nejprve závěr: hlavní transformátor OBC v zásadě není místem pro TIW — v cestě stojí čtyři zdi (teplota, kvalifikace, technologie vinutí, technika). Článek postupně vysvětluje, proč každá z těchto čtyř zdí platí, a poctivě ukazuje jedinou skulinu ve vozidle, kde se TIW může uplatnit: pomocný zdroj na úrovni Tier-2. Článek dává pouze směr a kritéria posouzení; hodnoty produktů DAH JIN platí vždy „podle schvalovacího listu“.

1. Nejprve si ujasnit, v jakém světě každá strana žije

Chceme-li si otázku „použít TIW, nebo ne“ promyslet, musíme nejprve oddělit dva různé světy:

• Svět automobilové OBC: OBC je zařízení ve vozidle, které mění střídavý proud ze sítě na vysokonapěťový stejnosměrný proud pro nabíjení baterie. Běžné výkony jsou jednofázově 3,3 / 6,6 / 7,2 kW a třífázově 11 / 22 kW (11 kW se postupně stává standardem čistě elektrických vozů), pro bateriové systémy 400 V a 800 V; spínací frekvence hlavního výkonového stupně se obvykle pohybuje ve stovkách kHz (zhruba 400–600 kHz, existují i prototypy s 1 MHz). Jeho návrh i kvalifikace se řídí pravidly automobilové elektroniky.
• Svět TIW: schvalovací list TIW je hodnocen podle UL 2353 / IEC 62368-1 Annex J (bezpečnost zařízení informačních a komunikačních technologií a audio/video zařízení) a IEC 60601-1 (zdravotnické přístroje, podle schvalovacího listu) — tedy v systému bezpečnostní izolace. Tento systém není kvalifikačním systémem automobilové OBC.

Oba světy se liší předmětem hodnocení, hodnoticími normami i hodnoticími orgány. Vzít „bezpečnostní izolaci pro ICT / zdravotnictví“ ze schvalovacího listu TIW přímo jako podklad pro nasazení v hlavním transformátoru automobilové OBC znamená sáhnout po nesprávném vymezujícím dokumentu. Právě odtud pramení následující čtyři zdi.

2. Čtyři zdi na jeden pohled

• Teplotní zeď — Podmínky hlavního transformátoru automobilové OBC：Prostředí motorového prostoru / výkonového modulu; automobilové pasivní součástky se řídí teplotními třídami AEC-Q200 (Grade 0: −50 / −40 až +150 °C, pro motorový prostor), navíc s kombinovaným klimatickým / mechanickým / chemickým namáháním podle ISO 16750；Postavení TIW (v systému jeho schvalovacího listu)：Tepelná třída vodiče je klasifikace tepelné odolnosti materiálu (u DAH JIN nejvýše třída F, 155 °C, podle schvalovacího listu), hodnocená podle bezpečnostních norem ITE / zdravotnických; není to kvalifikace hotového výrobku pro kombinované automobilové prostředí
• Kvalifikační zeď — Podmínky hlavního transformátoru automobilové OBC：AEC-Q200 (automobilová kvalifikace pasivních součástek, výslovně uvádí transformátory / induktory) + ISO 16750 + LV124 německých automobilek；Postavení TIW (v systému jeho schvalovacího listu)：UL 2353 / IEC 62368-1 Annex J (bezpečnostní izolace ITE / AV) + IEC 60601-1 (zdravotnictví, podle schvalovacího listu); není to automobilový systém
• Zeď technologie vinutí — Podmínky hlavního transformátoru automobilové OBC：Magnetické součástky hlavního výkonu se vinou převážně planárně (planar) a vf lankem (litz), aby se zvládly ztráty v mědi při vysoké frekvenci a vysokém proudu；Postavení TIW (v systému jeho schvalovacího listu)：TIW je jeden tenký vodič se silnou trojitou izolací pro „zesílenou izolaci bez povrchové cesty“; není to způsob vinutí hlavního výkonu
• Technická zeď — Podmínky hlavního transformátoru automobilové OBC：3,3–22 kW, 400 / 800 V, stovky kHz až 1 MHz; vysoká proudová hustota, vysokofrekvenční ztráty v mědi, náročný odvod tepla；Postavení TIW (v systému jeho schvalovacího listu)：Tenký jednodrátový TIW je omezen v proudové zatížitelnosti i ve vysokofrekvenčních ztrátách v mědi a pro hlavní vinutí hlavního transformátoru se nehodí

Jednotlivé zdi rozebíráme níže.

3. Teplotní zeď a kvalifikační zeď: jiná veličina, jiný systém

U teplotní zdi nejde o to, „zda je to dost horké“, ale o to, „o jaký druh klasifikace jde“. Automobilové pasivní součástky se teplotně klasifikují podle AEC-Q200: Grade 0 pracuje do +150 °C (pro motorový prostor), Grade 1 do +125 °C, Grade 2 do +105 °C, Grade 3 do +85 °C. Nejvyšší tepelná třída vodičů DAH JIN je třída F, 155 °C (podle schvalovacího listu) — avšak těchto 155 °C je klasifikace tepelné odolnosti materiálu, což není táž veličina jako +150 °C u AEC-Q200 Grade 0 (provozní / přežívací klasifikace hotového výrobku v kombinovaném prostředí). Tepelná třída vodiče se nerovná automobilové teplotní třídě hotové magnetické součástky a nenahrazuje ji. Tepelná třída vodiče a tepelná třída systému / hotového výrobku patří do oddělených registrací, viz Tepelná třída vodiče vs. tepelná třída izolačního systému.

Kvalifikační zeď je rozdíl celých systémů. Automobilová elektronika musí projít AEC-Q200 (automobilová kvalifikace pasivních součástek, která výslovně zahrnuje magnetické součástky jako transformátory a induktory), ISO 16750 (podmínky prostředí a zkoušky elektrických a elektronických zařízení silničních vozidel, v pěti částech: obecně, elektrické namáhání, mechanické namáhání, klimatické namáhání, chemické namáhání) a LV124, kterou vytvořilo sdružení německých automobilek (Audi / BMW / Daimler / Porsche / Volkswagen a další) a která bývá přísnější než ISO 16750. Schvalovací list TIW do tohoto systému nepatří — je to hodnocení bezpečnostní izolace ITE / zdravotnické. Pozor: DAH JIN sice nabízí i slaněný produkt (TLW-B7S, sedmidrátové lanko), ten však zůstává součástkou 130(B) v bezpečnostním systému ITE, nikoli automobilovou kvalifikací. Různé systémy se nemohou vzájemně zastupovat.

4. Zeď technologie vinutí a technická zeď: proč se hlavní transformátor nevine tenkým jednodrátovým TIW

Hlavní transformátor OBC je výkonová magnetická součástka s vysokou frekvencí, vysokým proudem a vysokou výkonovou hustotou. Nad stovkami kHz jsou vysokofrekvenční ztráty v mědi vinutí (skin efekt a jev blízkosti) hlavním bojištěm návrhu a převládajícím řešením v oboru je vf lanko (litz: mnoho tenkých drátků, které si rozdělují proud) a planární transformátor (vinutí tvořené vrstvami DPS / měděné fólie, které zvyšuje výkonovou hustotu). To je „zeď technologie vinutí“: vinutí hlavního výkonu jde beztak těmito dvěma cestami; pro jednodrátový vodič tu místo není.

Konstrukční zaměření TIW je přesně opačné — je to spíše tenký jednodrátový lakovaný vodič se silnou trojitou izolací; jeho hodnota spočívá v tom, že jediným vodičem splní zesílenou izolaci (Reinforced), ušetří povrchové cesty i izolační pásku a umožní zmenšit transformátory nízkého až středního výkonu. Na hlavních vinutích hlavního transformátoru OBC s vysokým proudem se proudová zatížitelnost a vysokofrekvenční ztráty v mědi tenkého jednodrátového vodiče stávají „technickou zdí“: k přenosu hlavního výkonu je třeba paralelního rozdělení proudu ve vf lanku nebo široké měděné fólie planárního vinutí, nikoli zesíleného jednoho vodiče se silnou izolací. Systém 800 V sice díky dvojnásobnému převodu snižuje sekundární proud (zhruba na polovinu) a proudové namáhání trochu zmírňuje, ale volba způsobu vinutí hlavního výkonového vinutí se kvůli tomu na jednodrátový TIW nepřesune.

Jednou větou: na úrovni hlavního transformátoru fyzikální podmínky způsobu vinutí a proudové zatížitelnosti nechávají tenký jednodrátový TIW za dveřmi; to nedokáže vyrovnat ani značka, ani schvalovací list.

5. Jediná možná skulina: pomocný zdroj na úrovni Tier-2

Pro úplnost: ve vozidle místo pro TIW existuje — ale ne v hlavním výkonu, nýbrž v pomocném zdroji na úrovni Tier-2. Uvnitř OBC a automobilových DC-DC měničů bývají navíc izolované pomocné (bias) zdroje (bias power supply), oddělovací transformátory pro buzení hradla (gate-drive isolation transformer) a pomocná vinutí flyback měničů. Jsou to aplikace s nízkým výkonem, které však potřebují zesílenou izolaci přes vysokonapěťovou bariéru — přesně silná stránka TIW, „zesílená izolace jediným vodičem“, a v takových malých oddělovacích transformátorech obor TIW skutečně používá.

Tato skulina má však poctivou výhradu: i na úrovni Tier-2 musí hotová magnetická součástka v automobilovém použití projít kvalifikací AEC-Q200 / ISO 16750 / LV124. Schvalovací list vodiče pokrývá materiál (typ a rozsah průměrů vodiče, podle schvalovacího listu); neznamená, že hotový výrobek prošel automobilovou kvalifikací. Jinými slovy: tam, kde se TIW ve vozidle „může objevit“, jsou tato pomocná vinutí Tier-2, ale odpovědnost za to, „zda hotový výrobek projde automobilovou kvalifikací“, zůstává na straně návrhu hotové magnetické součástky — schvalovací list vodiče ji převzít nemůže. Chcete-li tuto skulinu posoudit, nejprve si ujasněte, kdo nese automobilovou kvalifikaci hotového výrobku.

První krok výběru (B 130 °C vs F 155 °C atd.) najdete v průvodci výběrem.