Střídače pro ESS / fotovoltaiku: vodič s trojitou izolací patří do pomocného zdroje, ne do hlavního výkonového stupně

Vývojové týmy fotovoltaických (PV) střídačů a střídačů pro akumulaci energie (ESS) dostávají často jednu otázku: „Dá se tento vodič s trojitou izolací (TIW) použít ve střídači?“ Otázka hází celý střídač do jednoho pytle; poctivá odpověď se dává stupeň po stupni. Hlavní výkonová cesta (zvyšující tlumivka DC/DC, síťová filtrační tlumivka DC/AC – řada síťových střídačů nemá hlavní oddělovací transformátor vůbec) se vine vodiči velkého průřezu a vysokofrekvenčním lankem (litz) a není terénem pro žádný jednodrátový vodič s trojitou izolací; místo vodiče s trojitou izolací je malý oddělovací transformátor blokujícího měniče (flyback) v pomocném / bias zdroji (auxiliary / bias). Tento článek rozkládá střídač na jednotlivé stupně, u každého vysvětluje, jaká magnetická součástka v něm sedí a kde teprve přichází na řadu TIW, a dává vývojářům zdrojů, magnetik, bezpečnosti i nákupčím poctivou orientační linku. Dává jen směr a kritéria; všechny hodnoty výrobků DAH JIN platí „podle schvalovacího listu“.

1. Nejprve rozložit PV / ESS střídač na stupně

Úkolem střídače je převádět mezi stejnosměrným a střídavým proudem: fotovoltaický střídač mění stejnosměrný proud z PV panelů na střídavý proud dodávaný do sítě; systém přeměny výkonu (PCS) akumulace energie musí být obousměrný – měnit stejnosměrný proud baterie na střídavý a střídavý proud usměrňovat zpět pro nabíjení baterie. Z hlediska bezpečnosti spadají obě aplikace pod IEC 62109 (viz §4), jejíž část 2 výslovně zahrnuje do rozsahu platnosti střídače, které „mohou být určeny pro použití ve spojení s bateriemi nebo jinými formami akumulace energie“.

Vezměme za příklad běžný fotovoltaický stringový střídač. Aplikační poznámka TI k pomocným zdrojům jej rozkládá na několik stupňů přeměny výkonu: prvním je stupeň DC/DC, který ze stejnosměrného napětí PV stringu vytváří stabilní napětí stejnosměrného meziobvodu (DC bus); střídačový stupeň (DC/AC) pak tento meziobvod mění na střídavý proud dodávaný do sítě. Další dokument TI k výkonovým topologiím stringových střídačů jej rovněž dělí na tři velké výkonové bloky – jednosměrný měničový stupeň DC/DC, obousměrný stupeň DC/DC a obousměrný střídačový stupeň DC/AC – a uvádí, že v cenově citlivých aplikacích je vstupní DC/DC většinou neizolovaný zvyšující (boost) měnič.

Rozložen podle „umístění magnetik“ se střídač zhruba rozpadá na dvě níže uvedené cesty, jejichž nároky na magnetické součástky se zcela liší:

• Vstupní DC/DC (boost / MPPT) — Funkce：Vytváří z PV stringu nebo baterie stabilní stejnosměrný meziobvod；Typická magnetická součástka：Zvyšující tlumivka / tlumivka (velký proud, velké jádro)；Kategorie jednodrátového TIW?：Ne (viz §2)
• Střídačový stupeň DC/AC — Funkce：Mění stejnosměrný meziobvod na střídavý proud do sítě；Typická magnetická součástka：Síťová filtrační tlumivka (běžný LCL filtr, dvě tlumivky)；Kategorie jednodrátového TIW?：Ne (viz §2)
• Hlavní oddělovací transformátor (u izolované topologie) — Funkce：Oddělení primáru a sekundáru, přizpůsobení napětí；Typická magnetická součástka：Výkonový vinutý nebo planární transformátor；Kategorie jednodrátového TIW?：Ne (vinutí velkého průřezu, viz §2)
• Pomocný / bias zdroj (aux / bias) — Funkce：„Domácí“ napájení řízení, snímání a budičů hradel；Typická magnetická součástka：Malý oddělovací transformátor blokujícího měniče；Kategorie jednodrátového TIW?：Ano, obvyklé místo (viz §3)

Nejdůležitější napřed: hlavní výkonová cesta (zvyšující tlumivka, tlumivky LCL filtru, hlavní oddělovací transformátor) není kategorií výrobku pro jednodrátový vodič s trojitou izolací DAH JIN; skutečné místo TIW je malý oddělovací transformátor v posledním řádku. Následující oddíly procházejí stupně jeden po druhém.

2. Proč hlavní výkon není terénem jednodrátového TIW

Dvě klíčové skutečnosti hlavního výkonového stupně jej od začátku vylučují z dosahu jednodrátového vodiče s trojitou izolací.

Za prvé: řada síťových střídačů hlavní oddělovací transformátor vůbec nemá. Jednofázové i třífázové beztransformátorové (transformerless) stringové střídače jsou v oboru běžnou praxí a literatura výslovně uvádí, že tyto topologie „nemají galvanické oddělení“ – jinými slovy mezi stranou PV a stranou sítě neexistuje žádný vinutý výkonový transformátor; magnetickými součástkami hlavního výkonového stupně jsou zvyšující tlumivka a síťová filtrační tlumivka (běžný LCL filtr sám obsahuje dvě tlumivky). Bez hlavního oddělovacího transformátoru otázka „použít TIW ve vinutí hlavního výkonu?“ vůbec nevzniká.

Za druhé: tlumivky hlavního výkonu jsou výkonová magnetika s velkým proudem a velkým jádrem, vinutá vodiči velkého průřezu. Vinutí tlumivky pro velký proud musí vyvažovat stejnosměrný odpor proti vysokofrekvenčnímu střídavému odporu; čtyři praktické inženýrské volby jsou plný drát, vysokofrekvenční lanko (litz), plochá fólie a tvarovaná fólie. Plný jednodrátový vodič vede při vysoké frekvenci jen povrchovou vrstvou a má velké střídavé ztráty v mědi, proto vysokofrekvenční tlumivky pro velké proudy přecházejí na vf lanko (mnoho tenkých, proud si dělících drátků) nebo fóliové vinutí, aby ztráty snížily. Vodič s trojitou izolací je postaven přesně naopak: je to poměrně tenký jednodrátový lakovaný vodič s tlustou trojvrstvou izolací, jehož hodnota spočívá v tom, že jedním vodičem dosáhne zesílené izolace (Reinforced) a obejde se bez povrchové cesty, takže malé transformátory nízkého až středního výkonu mohou být menší. Položit tento tenký jednodrátový vodič s tlustou izolací na vinutí tlumivky hlavního výkonu pro velký proud nesedí ani v proudové zatížitelnosti, ani ve vysokofrekvenčních ztrátách v mědi – a to nespraví žádná značka ani schvalovací list.

I když střídač používá izolovanou topologii a hlavní oddělovací transformátor skutečně má, jde o výkonový transformátor velkého výkonu s vinutím velkého průřezu, což rovněž není terén jednodrátového TIW. Poctivá odpověď na otázku „má se v hlavním výkonu fotovoltaického / ESS střídače použít vodič s trojitou izolací?“ tedy zní: ne. To je v souladu s linií článku „Napájecí zdroje datových center / AI serverů“ z této řady: hlavní výkon je terénem vodičů velkého průřezu (litz / fólie / planar); TIW sedí v jiném stupni.

3. Místo vodiče s trojitou izolací: transformátor blokujícího měniče v pomocném / bias zdroji

Mimo hlavní výkon má každý střídač „domácí“ zdroj. Aplikační poznámka TI jej vymezuje jasně: pomocný zdroj je „navržen k napájení obvodů řízení, signálového řetězce, snímání a budičů hradel“ a „obvykle má podobu izolovaného řadiče blokujícího měniče (flyback), který převádí napětí stejnosměrného meziobvodu nebo střídavé sítě (nebo obojího)“ na podobu, kterou vnitřní součástky potřebují k provozu; bez něj není elektronika napájena a celý systém selže. Dokument také upozorňuje, že součástky jako budiče hradel „závisejí na správném bias napětí, aby správně budily výkonové spínače“.

Dvě vlastnosti tohoto pomocného zdroje určují místo TIW: malý výkon, ale bezpečnostní oddělení mezi primárem a sekundárem. Jak malý? Referenční návrh pomocného zdroje citovaný v témže dokumentu TI má vstup 350 V až 1500 V a výstup jen kolem 150 W – oproti hlavnímu výkonovému stupni o několika kilowattech až stovkách kilowattů je to tenký výsek. A používá přesně malý vinutý oddělovací transformátor (blokující měnič): dosáhnout na tak malém transformátoru zesílené izolace jediným vodičem pro vinutí je právě obvyklý oborový nástroj pro vodič s trojitou izolací – konstrukční podklady třetích stran k transformátorům blokujících měničů i studie pomocných zdrojů PV střídačů uvádějí, že TIW se používá na sekundárním vinutí transformátoru blokujícího měniče tam, kde je vyžadováno zesílené oddělení primáru a sekundáru. To je aplikační úroveň, které čtyři vodiče s trojitou izolací DAH JIN (TLW-B, TLW-BB, TLW-B7S, TLW-F) skutečně odpovídají.

Pro tento stupeň může DAH JIN jako podklad z první ruky nabídnout pevnou sadu certifikačních podmínek, nikoli tvrzení „již nasazeno v určitém střídači“: všechny čtyři typy jsou uvedeny v rozsahu hodnocení IEC 62368-1 Annex J podle VDE 40008834 Anlage 200; konkrétní hodnoty – pracovní napětí, špičkové napětí, zkušební frekvence – platí podle schvalovacího listu a certifikátu VDE; průměr vodiče 0.10–1.00 mm (TLW-B7S je slaněný vodič ze 7 drátků, drátky 0.10–0.30 mm); tepelná třída 130(B), TLW-F třída F (155 °C). Postup na straně vývoje: vzít skutečný pracovní bod vlastního transformátoru blokujícího měniče v pomocném / bias zdroji a porovnat jej s podmínkami Annex J uvedenými ve schvalovacím listu – leží-li v podmínkách, vodič připadá v úvahu; vybočí-li kterákoli položka, je nutné samostatné hodnocení. Tento článek nepřepočítává pracovní bod transformátoru z napětí PV stringu ani stejnosměrného meziobvodu a netvrdí, že vodič s trojitou izolací DAH JIN byl nasazen v kterémkoli konkrétním střídači. K hranici mezi tepelnou třídou vodiče a tepelnou třídou izolačního systému viz Tepelná třída vodiče vs. tepelná třída izolačního systému.

4. Bezpečnostní rámec: jak IEC 62109 nahlíží na oddělení

Bezpečnost hotového střídače se řídí IEC 62109. Část 1 (všeobecné požadavky) upravuje u zařízení pro přeměnu výkonu PV ochranu před úrazem elektrickým proudem, energetickým, požárním, mechanickým a dalším nebezpečím, včetně izolačních systémů (základní / přídavná / zesílená izolace) a povrchových cest a vzdušných vzdáleností pro příslušnou napěťovou hladinu a stupeň znečištění, a platí do 1500 V na stejnosměrné straně a 1000 V na střídavé straně; část 2 (zvláštní požadavky na střídače) výslovně pokrývá síťové i ostrovní střídače a zahrnuje ty, které „mohou být určeny pro použití ve spojení s bateriemi nebo jinými formami akumulace energie“ – PCS akumulace tak spadá do téhož rámce.

Zde je třeba rozlišit dvě úrovně (jen v obrysech; podrobnosti podle textu normy): IEC 62109 je bezpečnostní norma hotového střídače, která rozhoduje, jaký stupeň oddělení zařízení potřebuje a na které bariéře leží; schvalovací list TIW je hodnocení izolace na úrovni materiálu (vodiče), provedené podle UL 2353 / IEC 62368-1 Annex J (ICT / audio-video) a IEC 60601-1 (zdravotnictví, podle schvalovacího listu). Nejde o tutéž úroveň a nelze je vzájemně zaměnit. Správný postup při návrhu: hotový výrobek projde IEC 62109, a když určitý transformátor blokujícího měniče v pomocném / bias zdroji potřebuje dosáhnout zesílené izolace ve vinutí, zvolí se vodič s trojitou izolací, jehož podmínky ve schvalovacím listu tento pracovní bod pokrývají – jako jeden z prostředků, jak zesílené izolace dosáhnout. O tom, jaký stupeň oddělení je nutný a jaká elektrická pevnost a vzdálenosti k němu patří, rozhoduje zařazení hotového výrobku podle IEC 62109, nikoli zpětný odvod z katalogu vodičů. Odpovídající hodnoty DAH JIN platí podle schvalovacího listu a zde se neopakují.

5. Inženýrská kritéria: nejprve zařadit, pak mluvit o vodiči

Jednostránkový závěr pro vývojáře zdrojů / magnetik v pořadí „nejprve zařadit součástku do stupně, pak rozhodnout o TIW“:

1. Hlavní výkonová cesta (zvyšující tlumivka, síťové filtrační tlumivky LCL a – je-li – hlavní oddělovací transformátor): vodiče velkého průřezu – při vysoké frekvenci a velkém proudu vf lanko nebo fóliové vinutí ke snížení ztrát v mědi; beztransformátorové modely hlavní oddělovací transformátor ani nemají. Tento stupeň není kategorií jednodrátového vodiče s trojitou izolací; na TIW zde není třeba ani vhodné pomýšlet.
2. Malý oddělovací transformátor (blokující měnič) pomocného / bias zdroje: to je vinutý oddělovací transformátor a místo vodiče s trojitou izolací. Při volbě TIW vezměte skutečné pracovní napětí, špičkové napětí a zkušební frekvenci tohoto transformátoru a porovnejte je s certifikačními podmínkami Annex J uvedenými ve schvalovacím listu (s průměrem vodiče v rozsahu 0.10–1.00 mm a drátky TLW-B7S v rozsahu 0.10–0.30 mm) – leží-li v podmínkách, vodič připadá v úvahu; vybočí-li kterákoli položka, je nutné samostatné hodnocení.
3. Nepřepočítávat, neextrapolovat: nepřepočítávejte pracovní bod transformátoru z napětí PV stringu nebo stejnosměrného meziobvodu; pro zdravotnické aplikace má Annex L (2 MOOP / 2 MOPP) vlastní sadu podmínek, vázanou jen na TLW-BB a TLW-B7S, s hodnotami rovněž podle schvalovacího listu. K první větvi výběru (B 130 °C vs. F 155 °C) viz průvodce výběrem vodiče s trojitou izolací.