Haupttransformator im Automotive-OBC: Warum dreifach isolierter Draht (TIW) hier nicht hingehört

Dieser Beitrag richtet sich an Entwicklungs- und Einkaufsingenieure für Stromversorgung und Magnetbauteile in On-Board-Ladegeräten (OBC, On-Board Charger) und automobilen DC-DC-Wandlern. Vielleicht suchen Sie gerade den Wickeldraht für den Haupttransformator eines OBC und fragen sich, ob dreifach isolierter Draht (TIW, Triple Insulated Wire) dort eingesetzt werden sollte. Vorweg das Fazit: Der Haupttransformator des OBC ist im Grunde nicht das Einsatzfeld von TIW – davor stehen vier Mauern (Temperatur, Qualifizierung, Wickeltechnik, Technik). Dieser Beitrag erläutert, warum jede dieser vier Mauern Bestand hat, und benennt ehrlich die einzige Lücke im Fahrzeug, in der TIW vorkommen kann: die Hilfsstromversorgung auf Tier-2-Ebene. Der Beitrag gibt nur Richtung und Beurteilungskriterien; alle Werte von DAH JIN-Produkten gelten „gemäß Freigabedokument“.

1. Zuerst klären, in welcher Welt beide Seiten stehen

Wer „TIW ja oder nein“ sauber durchdenken will, muss zunächst zwei verschiedene Welten auseinanderhalten:

• Die Welt des Automotive-OBC: Das OBC ist das Gerät im Fahrzeug, das Netzwechselstrom in Hochvolt-Gleichstrom zum Laden der Batterie umsetzt. Übliche Leistungen sind einphasig 3,3 / 6,6 / 7,2 kW und dreiphasig 11 / 22 kW (11 kW wird zunehmend Standard im reinen Elektrofahrzeug), passend zu Batteriesystemen mit 400 V und 800 V; die Schaltfrequenz der Hauptleistungsstufe liegt meist bei einigen hundert kHz (etwa 400–600 kHz, Prototypen auch mit 1 MHz). Auslegung und Qualifizierung folgen dem Regelwerk der Automobilelektronik.
• Die Welt des TIW: Das Freigabedokument des TIW wird nach UL 2353 / IEC 62368-1 Annex J (Sicherheit von Einrichtungen der Informations- und Kommunikationstechnik sowie der Audio-/Videotechnik) und IEC 60601-1 (medizinische Geräte, gemäß Freigabedokument) bewertet – einem System der sicherheitstechnischen Isolation. Dieses System ist nicht das Qualifizierungssystem des Automotive-OBC.

Beide Welten unterscheiden sich im Bewertungsgegenstand, in den Bewertungsnormen und in den bewertenden Stellen. Die „ICT-/Medizin-Sicherheitsisolation“ aus dem Freigabedokument des TIW direkt als Grundlage für den Einsatz im Haupttransformator eines Automotive-OBC heranzuziehen, heißt, das falsche Bezugsdokument in die Hand zu nehmen. Genau daraus entstehen die vier Mauern.

2. Die vier Mauern auf einen Blick

• Temperaturmauer — Bedingungen des Haupttransformators im Automotive-OBC：Umgebung Motorraum / Leistungsmodul; passive Automotive-Bauelemente folgen den Temperaturklassen nach AEC-Q200 (Grade 0: −50 / −40 bis +150 °C, für den Motorraum), überlagert von den kombinierten klimatischen / mechanischen / chemischen Beanspruchungen nach ISO 16750；Einordnung des TIW (im System seines Freigabedokuments)：Die Wärmeklasse des Drahts ist eine Einstufung der thermischen Beständigkeit des Materials (bei DAH JIN höchstens Klasse F, 155 °C, gemäß Freigabedokument), bewertet nach ITE-/Medizin-Sicherheitsnormen; keine Qualifizierung des fertigen Bauteils für die kombinierte Automotive-Umgebung
• Qualifizierungsmauer — Bedingungen des Haupttransformators im Automotive-OBC：AEC-Q200 (Automotive-Qualifizierung passiver Bauelemente, Transformatoren / Induktivitäten ausdrücklich genannt) + ISO 16750 + LV124 der deutschen OEMs；Einordnung des TIW (im System seines Freigabedokuments)：UL 2353 / IEC 62368-1 Annex J (ITE-/AV-Sicherheitsisolation) + IEC 60601-1 (Medizin, gemäß Freigabedokument); kein Automotive-System
• Wickeltechnikmauer — Bedingungen des Haupttransformators im Automotive-OBC：Magnetbauteile der Hauptleistung werden überwiegend planar oder mit Litze (Litzendraht) gewickelt, um Kupferverluste bei hoher Frequenz und hohem Strom zu beherrschen；Einordnung des TIW (im System seines Freigabedokuments)：TIW ist ein einzelner dünner Leiter mit dicker dreilagiger Isolierung für „verstärkte Isolierung ohne Kriechstrecke“ – keine Wickeltechnik für die Hauptleistung
• Technikmauer — Bedingungen des Haupttransformators im Automotive-OBC：3,3–22 kW, 400 / 800 V, einige hundert kHz bis 1 MHz; hohe Stromdichte, hochfrequente Kupferverluste, anspruchsvolle Entwärmung；Einordnung des TIW (im System seines Freigabedokuments)：Ein dünner eindrähtiger TIW ist in Strombelastbarkeit und hochfrequenten Kupferverlusten begrenzt und für die Hauptwicklungen eines Haupttransformators ungeeignet

Die einzelnen Mauern werden im Folgenden erläutert.

3. Temperaturmauer und Qualifizierungsmauer: andere Messgröße, anderes System

Bei der Temperaturmauer geht es nicht um „heiß genug?“, sondern um „welche Art von Klasse?“. Passive Automotive-Bauelemente werden nach AEC-Q200 in Temperaturklassen eingeteilt: Grade 0 arbeitet bis +150 °C (für den Motorraum), Grade 1 bis +125 °C, Grade 2 bis +105 °C, Grade 3 bis +85 °C. Die höchste Wärmeklasse der DAH JIN-Drähte ist Klasse F, 155 °C (gemäß Freigabedokument) – doch diese 155 °C sind eine Einstufung der thermischen Beständigkeit des Materials und nicht dieselbe Messgröße wie die +150 °C von AEC-Q200 Grade 0 (eine Betriebs-/Überlebensklasse des fertigen Bauteils unter kombinierter Umgebung). Die Wärmeklasse des Drahts ist weder gleich der Automotive-Temperaturklasse eines fertigen Magnetbauteils noch ersetzt sie diese. Wärmeklasse des Drahts und Wärmeklasse des Systems / fertigen Produkts gehören zu getrennten Einträgen, siehe Wärmeklasse des Drahts und Wärmeklasse des Isoliersystems.

Die Qualifizierungsmauer ist der Unterschied ganzer Systeme. Automobilelektronik muss AEC-Q200 (Automotive-Qualifizierung passiver Bauelemente, die magnetische Bauteile wie Transformatoren und Induktivitäten ausdrücklich umfasst), ISO 16750 (Umgebungsbedingungen und Prüfungen für elektrische und elektronische Ausrüstung in Straßenfahrzeugen, in fünf Teilen: Allgemeines, elektrische Beanspruchungen, mechanische Beanspruchungen, klimatische Beanspruchungen, chemische Beanspruchungen) sowie die vom Verbund deutscher Fahrzeughersteller (Audi / BMW / Daimler / Porsche / Volkswagen u. a.) erstellte LV124 bestehen, die oft strenger ist als ISO 16750. Das Freigabedokument des TIW liegt außerhalb dieses Systems – es ist eine Bewertung der ITE-/Medizin-Sicherheitsisolation. Zu beachten: DAH JIN führt zwar auch ein verseiltes Produkt (TLW-B7S, siebendrähtig verseilt), doch auch dieses bleibt ein 130(B)-Bauteil im ITE-Sicherheitssystem und keine Automotive-Qualifizierung. Verschiedene Systeme können einander nicht vertreten.

4. Wickeltechnikmauer und Technikmauer: Warum der Haupttransformator nicht mit dünnem eindrähtigem TIW gewickelt wird

Der Haupttransformator des OBC ist ein Leistungsmagnetbauteil mit hoher Frequenz, hohem Strom und hoher Leistungsdichte. Oberhalb einiger hundert kHz sind die hochfrequenten Kupferverluste der Wicklung (Skin- und Proximity-Effekt) das Hauptschlachtfeld der Auslegung; die in der Branche vorherrschenden Lösungen sind Litze (Litzendraht: viele dünne Einzeldrähte teilen sich den Strom) und Planartransformatoren (Wicklungen aus Leiterplatten-/Kupferfolienlagen, die die Leistungsdichte erhöhen). Das ist die „Wickeltechnikmauer“: Hauptleistungswicklungen gehen ohnehin diese beiden Wege; für Eindrahtleiter ist hier kein Platz.

Die Auslegung des TIW ist genau gegenläufig – er ist ein eher dünner eindrähtiger Lackdraht mit dicker dreilagiger Isolierung; sein Wert liegt darin, dass ein einziger Draht die verstärkte Isolierung (Reinforced) erfüllt, Kriechstrecken und Isolierband einspart und so Transformatoren kleiner bis mittlerer Leistung kompakter macht. Auf den Hochstrom-Hauptwicklungen eines OBC-Haupttransformators werden Strombelastbarkeit und hochfrequente Kupferverluste des dünnen Einzeldrahts zur „Technikmauer“: Um die Hauptleistung zu tragen, braucht es die parallelen Einzeldrähte der Litze oder die breite Kupferfolie des Planartransformators, nicht einen dickeren Einzeldraht mit dicker Isolierung. Zwar ist beim 800-V-System der Sekundärstrom wegen des verdoppelten Übersetzungsverhältnisses niedriger (etwa die Hälfte), was den Stromdruck etwas mildert, doch die Wahl der Wickeltechnik für die Hauptleistungswicklung wechselt deshalb nicht zu eindrähtigem TIW.

In einem Satz: Auf der Ebene des Haupttransformators halten die physikalischen Bedingungen von Wickeltechnik und Strombelastbarkeit den dünnen eindrähtigen TIW vor der Tür; das kann weder eine Marke noch ein Freigabedokument ausgleichen.

5. Die einzige mögliche Lücke: die Hilfsstromversorgung auf Tier-2-Ebene

Der Ehrlichkeit halber: Im Fahrzeug gibt es durchaus einen Platz für TIW – aber nicht in der Hauptleistung, sondern in der Hilfsstromversorgung auf Tier-2-Ebene. In OBC und automobilen DC-DC-Wandlern finden sich meist zusätzlich isolierte Bias-/Hilfsstromversorgungen (bias power supply), Gate-Treiber-Übertrager (gate-drive isolation transformer) sowie Hilfswicklungen von Sperrwandlern (Flyback). Das sind Anwendungen mit kleiner Leistung, die dennoch eine verstärkte Isolierung über die Hochvoltbarriere hinweg benötigen – genau die Stärke des TIW, „verstärkte Isolierung mit einem einzigen Draht“, und in solchen kleinen Trenntransformatoren setzt die Branche TIW tatsächlich ein.

Diese Lücke hat jedoch einen ehrlichen Vorbehalt: Auch auf Tier-2-Ebene muss das fertige Magnetbauteil im Automotive-Einsatz die Qualifizierung nach AEC-Q200 / ISO 16750 / LV124 durchlaufen. Das Freigabedokument des Drahts deckt das Material ab (Typ und Drahtdurchmesserbereich, gemäß Freigabedokument); es bedeutet nicht, dass das fertige Bauteil die Automotive-Qualifizierung bestanden hat. Anders gesagt: Wo TIW im Fahrzeug „vorkommen kann“, sind diese Tier-2-Hilfswicklungen; die Verantwortung dafür, „ob das fertige Bauteil die Automotive-Qualifizierung besteht“, liegt weiterhin bei der Auslegung des fertigen Magnetbauteils und lässt sich nicht an ein Freigabedokument des Drahts delegieren. Wer diese Lücke bewerten will, klärt zuerst, wer die Automotive-Qualifizierung des fertigen Bauteils trägt.

Für den ersten Schritt der Auswahl (B 130 °C vs. F 155 °C usw.) siehe den Auswahlleitfaden.