ESS-/Solar-Wechselrichter: Dreifach isolierter Draht sitzt in der Hilfsstromversorgung, nicht im Hauptleistungspfad

Entwicklungsteams von Photovoltaik- (PV) und Energiespeicher-Wechselrichtern (ESS) stellen oft eine Frage: „Lässt sich dieser dreifach isolierte Draht (TIW) im Wechselrichter einsetzen?“ Diese Frage wirft den ganzen Wechselrichter in einen Topf; die ehrliche Antwort fällt stufenweise aus. Der Hauptleistungspfad (DC/DC-Boost-Drossel, DC/AC-Netzfilterdrossel – viele netzgekoppelte Geräte haben nicht einmal einen Haupttrenntransformator) wird mit großen Leiterquerschnitten und HF-Litze gewickelt und ist kein Terrain für einen eindrähtigen dreifach isolierten Draht; der Platz des dreifach isolierten Drahts ist der kleine isolierte Sperrwandler-Transformator (Flyback) der Hilfs-/Bias-Stromversorgung. Dieser Beitrag zerlegt einen Wechselrichter in seine Stufen, erläutert Stufe für Stufe, welche magnetischen Bauelemente dort sitzen und wo TIW tatsächlich an der Reihe ist, und gibt Entwicklern aus Stromversorgung, Magnetik, Sicherheitstechnik und Einkauf eine ehrliche Orientierungslinie. Er liefert nur Richtung und Kriterien; alle Produktwerte von DAH JIN gelten „gemäß Freigabedokument“.

1. Zuerst den PV-/ESS-Wechselrichter in Stufen zerlegen

Die Aufgabe eines Wechselrichters ist die Wandlung zwischen Gleich- und Wechselstrom: Ein Solarwechselrichter wandelt den Gleichstrom der PV-Module in netzkonformen Wechselstrom; das Power Conversion System (PCS) eines Energiespeichers muss bidirektional arbeiten – Batterie-Gleichstrom in Wechselstrom wandeln und Wechselstrom zum Laden der Batterie zurück gleichrichten. Beide Anwendungen fallen sicherheitstechnisch unter IEC 62109 (siehe §4), dessen Teil 2 Wechselrichter, die „in Verbindung mit Batterien oder anderen Formen der Energiespeicherung“ betrieben werden können, ausdrücklich in den Anwendungsbereich aufnimmt.

Am Beispiel des verbreiteten Solar-String-Wechselrichters: Die TI-Applikationsschrift zu Hilfsstromversorgungen zerlegt ihn in mehrere Leistungswandlungsstufen. Die erste ist die DC/DC-Stufe, die aus dem Gleichstrom des PV-Strings eine stabile Zwischenkreisspannung (DC-Bus) erzeugt; anschließend wandelt die Wechselrichterstufe (DC/AC) den Zwischenkreis in netzkonformen Wechselstrom. Ein weiteres TI-Dokument zu Leistungstopologien von String-Wechselrichtern teilt ihn ebenfalls in drei große Leistungsblöcke – eine unidirektionale DC/DC-Wandlerstufe, eine bidirektionale DC/DC-Stufe und eine bidirektionale DC/AC-Wechselrichterstufe – und weist darauf hin, dass der Front-End-DC/DC in kostensensiblen Anwendungen meist als nicht isolierter Boost-Wandler ausgeführt wird.

Nach „Lage der magnetischen Bauelemente“ aufgefächert, ergeben sich grob die beiden folgenden Pfade mit völlig unterschiedlichen Anforderungen an die Magnetik:

• Front-End-DC/DC (Boost/MPPT) — Funktion：Baut aus PV-String oder Batterie einen stabilen Zwischenkreis auf；Typisches magnetisches Bauelement：Boost-Drossel/Speicherdrossel (hoher Strom, großer Kern)；Kategorie für eindrähtigen TIW?：Nein (siehe §2)
• DC/AC-Wechselrichterstufe — Funktion：Wandelt den Zwischenkreis in netzkonformen Wechselstrom；Typisches magnetisches Bauelement：Netzfilterdrossel (meist LCL-Filter mit zwei Drosseln)；Kategorie für eindrähtigen TIW?：Nein (siehe §2)
• Haupttrenntransformator (bei isolierter Topologie) — Funktion：Primär-/Sekundärtrennung und Spannungsanpassung；Typisches magnetisches Bauelement：Leistungstransformator, gewickelt oder planar；Kategorie für eindrähtigen TIW?：Nein (große Wicklungsquerschnitte, siehe §2)
• Hilfs-/Bias-Stromversorgung (aux/bias) — Funktion：„Haushaltsstrom“ für Steuerung, Sensorik und Gate-Treiber；Typisches magnetisches Bauelement：Kleiner isolierter Sperrwandler-Transformator；Kategorie für eindrähtigen TIW?：Ja, der übliche Einsatzort (siehe §3)

Das Wichtigste vorweg: Der Hauptleistungspfad (Boost-Drossel, LCL-Filterdrosseln, Haupttrenntransformator) ist nicht die Produktkategorie für den eindrähtigen dreifach isolierten Draht von DAH JIN; der eigentliche Platz von TIW ist der kleine Trenntransformator in der letzten Zeile. Die folgenden Abschnitte gehen die Stufen einzeln durch.

2. Warum der Hauptleistungspfad kein Einsatzfeld für eindrähtigen TIW ist

Zwei zentrale Tatsachen der Hauptleistungsstufe nehmen sie von vornherein aus der Reichweite des eindrähtigen dreifach isolierten Drahts.

Erstens: Viele netzgekoppelte Wechselrichter haben überhaupt keinen Haupttrenntransformator. Ein- und dreiphasige trafolose (transformatorlose) String-Wechselrichter sind in der Branche gängige Praxis, und die Literatur hält ausdrücklich fest, dass diese Topologien „keine galvanische Trennung“ besitzen – mit anderen Worten: Zwischen PV-Seite und Netzseite gibt es keinen gewickelten Leistungstransformator; die magnetischen Bauelemente der Hauptleistungsstufe sind die Boost-Drossel und die Netzfilterdrossel (das verbreitete LCL-Filter enthält selbst zwei Drosseln). Ohne Haupttrenntransformator stellt sich die Frage „TIW in der Hauptleistungswicklung?“ gar nicht erst.

Zweitens: Die Drosseln der Hauptleistungsstufe sind Leistungsmagnetika mit hohem Strom und großem Kern, gewickelt mit großen Leiterquerschnitten. Die Wicklung einer Hochstromdrossel muss zwischen Gleichstromwiderstand und hochfrequentem Wechselstromwiderstand abwägen; die vier praxisüblichen Optionen sind Volldraht, HF-Litze, Flachfolie und geformte Folie. Ein massiver Einzeldraht leitet bei hoher Frequenz nur in der Randschicht und verursacht hohe AC-Kupferverluste, weshalb hochfrequente Hochstromdrosseln auf HF-Litze (viele feine, den Strom aufteilende Einzeldrähte) oder Folienwicklung ausweichen, um die Verluste zu senken. Der dreifach isolierte Draht ist genau entgegengesetzt positioniert: Er ist ein vergleichsweise dünner, eindrähtiger Lackdraht mit dicker dreilagiger Isolierung, dessen Wert darin liegt, mit einem einzigen Draht die verstärkte Isolierung (Reinforced) zu erreichen und auf Kriechstrecken verzichten zu können, sodass kleine Transformatoren im unteren bis mittleren Leistungsbereich kompakter werden. Diesen dünnen, dick isolierten Einzeldraht auf die Hochstromwicklung einer Hauptleistungsdrossel zu legen, passt weder bei der Strombelastbarkeit noch bei den HF-Kupferverlusten – und daran ändert weder eine Marke noch ein Freigabedokument etwas.

Selbst wenn ein Wechselrichter eine isolierte Topologie nutzt und tatsächlich einen Haupttrenntransformator besitzt, handelt es sich um einen Leistungstransformator mit hoher Leistung und großen Wicklungsquerschnitten – ebenfalls kein Platz für eindrähtigen TIW. Die ehrliche Antwort auf „Braucht der Hauptleistungspfad eines Solar-/ESS-Wechselrichters dreifach isolierten Draht?“ lautet daher: Nein. Das deckt sich mit der Linie des Beitrags „Stromversorgung in Rechenzentren/AI-Servern“ dieser Reihe: Die Hauptleistung ist das Terrain großer Leiterquerschnitte (Litze/Folie/Planar); TIW sitzt in einer anderen Stufe.

3. Der Einsatzort des dreifach isolierten Drahts: der Sperrwandler-Transformator der Hilfs-/Bias-Stromversorgung

Neben der Hauptleistung besitzt jeder Wechselrichter eine „Haushaltsstromversorgung“. Die TI-Applikationsschrift grenzt sie klar ab: Die Hilfsstromversorgung ist „dafür ausgelegt, Steuerung, Signalkette, Sensorik und Gate-Treiber-Bausteine zu versorgen“, und sie „kommt üblicherweise in Form eines isolierten Flyback-Controllers, der die Spannung des DC-Zwischenkreises oder des AC-Netzes (oder beider)“ in die Form wandelt, die die internen Bausteine zum Betrieb brauchen; ohne diese Versorgung ist die gesamte Elektronik stromlos und das ganze System fällt aus. Das Dokument hebt zudem hervor, dass Bausteine wie Gate-Treiber „die richtige Bias-Spannung benötigen, um die Leistungsschalter korrekt anzusteuern“.

Zwei Merkmale dieser Hilfsstromversorgung bestimmen den Einsatzort von TIW: geringe Leistung, aber eine sicherheitstechnische Trennung zwischen Primär- und Sekundärseite. Wie gering? Das im selben TI-Dokument zitierte Referenzdesign einer Hilfsstromversorgung hat 350 V bis 1500 V Eingang und nur rund 150 W Ausgang – gegenüber Hauptleistungsstufen von einigen Kilowatt bis mehreren hundert Kilowatt ein schmaler Ausschnitt. Und genau dafür kommt ein kleiner gewickelter Trenntransformator (Sperrwandler) zum Einsatz: Auf einem so kleinen Transformator mit einem einzigen Wickeldraht die verstärkte Isolierung zu erreichen, ist das Standardmittel der Branche für dreifach isolierten Draht – sowohl Konstruktionsunterlagen Dritter zu Sperrwandler-Transformatoren als auch Untersuchungen zu Hilfsstromversorgungen von PV-Wechselrichtern halten fest, dass TIW auf der Sekundärwicklung eines Sperrwandler-Transformators eingesetzt wird, wenn eine verstärkte Primär-/Sekundärtrennung gefordert ist. Das ist die Anwendungsebene, auf die die vier dreifach isolierten Drähte von DAH JIN (TLW-B, TLW-BB, TLW-B7S, TLW-F) tatsächlich passen.

Für diese Stufe kann DAH JIN als Erstquelle einen festen Satz von Zertifizierungsbedingungen anbieten – nicht die Behauptung, „bereits in einem bestimmten Wechselrichter eingesetzt“: Alle vier Typen sind im Bewertungsumfang nach IEC 62368-1 Annex J der VDE 40008834 Anlage 200 geführt; konkrete Werte wie Arbeitsspannung, Spitzenspannung und Prüffrequenz gelten durchweg gemäß Freigabedokument und VDE-Zertifikat; Drahtdurchmesser 0.10–1.00 mm (TLW-B7S als 7-fach verseilter Leiter mit Einzeldrähten von 0.10–0.30 mm), Wärmeklasse 130(B), TLW-F in Klasse F (155 °C). Entwicklungsseitig nimmt man den tatsächlichen Arbeitspunkt des eigenen Hilfs-/Bias-Sperrwandler-Transformators und gleicht ihn mit den im Freigabedokument genannten Bedingungen nach Annex J ab – liegt er innerhalb, kommt der Draht in Frage; liegt auch nur ein Punkt außerhalb, ist eine gesonderte Bewertung nötig. Dieser Beitrag rechnet keinen Transformator-Arbeitspunkt aus PV-String- oder Zwischenkreisspannungen zurück und behauptet nicht, dass dreifach isolierter Draht von DAH JIN in einem bestimmten Wechselrichter eingesetzt wird. Zur Grenze zwischen Wärmeklasse des Drahts und Wärmeklasse des Isoliersystems siehe Wärmeklasse des Drahts und Wärmeklasse des Isoliersystems.

4. Das Sicherheitsregelwerk: Wie IEC 62109 die Trennung behandelt

Die Produktsicherheit fertiger Wechselrichter richtet sich nach IEC 62109. Teil 1 (allgemeine Anforderungen) regelt für PV-Leistungswandler den Schutz gegen elektrischen Schlag, Energie-, Brand- und mechanische Gefährdungen, einschließlich der Isoliersysteme (Basis-/zusätzliche/verstärkte Isolierung) sowie der Kriech- und Luftstrecken für die jeweilige Spannungsebene und den Verschmutzungsgrad, und gilt bis 1500 V DC-seitig und 1000 V AC-seitig; Teil 2 (besondere Anforderungen an Wechselrichter) erfasst ausdrücklich netzgekoppelte und Insel-Wechselrichter und nimmt den Fall „in Verbindung mit Batterien oder anderen Formen der Energiespeicherung“ auf – ein ESS-PCS fällt damit unter dasselbe Regelwerk.

Hier sind zwei Ebenen auseinanderzuhalten (nur in Umrissen; Details gemäß Normtext): IEC 62109 ist die Produktsicherheitsnorm des fertigen Wechselrichters und legt fest, welche Isolierstufe das Gerät braucht und auf welcher Barriere sie liegt; das Freigabedokument des TIW ist eine Isolationsbewertung auf Material-(Draht-)Ebene, bewertet nach UL 2353/IEC 62368-1 Annex J (IKT/Audio-Video) und IEC 60601-1 (Medizin, gemäß Freigabedokument). Beides sind nicht dieselbe Ebene und können einander nicht ersetzen. Die richtige Vorgehensweise in der Entwicklung: Das Endgerät besteht IEC 62109, und wenn ein bestimmter Hilfs-/Bias-Sperrwandler-Transformator in der Wicklung verstärkte Isolierung erreichen muss, wählt man einen dreifach isolierten Draht, dessen im Freigabedokument genannte Bedingungen diesen Arbeitspunkt abdecken – als eines der Mittel, die verstärkte Isolierung zu erreichen. Welche Isolierstufe nötig ist und welche Spannungsfestigkeit und Abstände dazugehören, bestimmt die Einstufung des Endgeräts nach IEC 62109, nicht ein Rückschluss aus dem Drahtkatalog. Die entsprechenden Werte von DAH JIN gelten gemäß Freigabedokument und werden hier nicht wiederholt.

5. Entwicklungskriterien: erst einstufen, dann über den Draht reden

Eine einseitige Zusammenfassung für Stromversorgungs-/Magnetik-Entwickler in der Reihenfolge „erst das Bauelement der Stufe zuordnen, dann über TIW entscheiden“:

1. Hauptleistungspfad (Boost-Drossel, LCL-Netzfilterdrosseln sowie – falls vorhanden – Haupttrenntransformator): große Leiterquerschnitte – bei hoher Frequenz und hohem Strom HF-Litze oder Folienwicklung zur Senkung der Kupferverluste; trafolose Geräte haben nicht einmal einen Haupttrenntransformator. Diese Stufe ist nicht die Kategorie des eindrähtigen dreifach isolierten Drahts; hier an TIW zu denken ist weder nötig noch sinnvoll.
2. Kleiner Trenntransformator (Sperrwandler) der Hilfs-/Bias-Stromversorgung: Das ist der gewickelte Trenntransformator und der Einsatzort des dreifach isolierten Drahts. Zur TIW-Auswahl die tatsächliche Arbeitsspannung, Spitzenspannung und Prüffrequenz dieses Transformators ermitteln und mit den im Freigabedokument genannten Zertifizierungsbedingungen nach Annex J abgleichen (Drahtdurchmesser im Bereich 0.10–1.00 mm, Einzeldrähte des TLW-B7S im Bereich 0.10–0.30 mm) – innerhalb der Bedingungen kommt der Draht in Frage; liegt ein Punkt außerhalb, ist eine gesonderte Bewertung nötig.
3. Nicht zurückrechnen, nicht extrapolieren: keinen Transformator-Arbeitspunkt aus PV-String- oder Zwischenkreisspannungen zurückrechnen; für Medizinanwendungen hat Annex L (2 MOOP/2 MOPP) einen eigenen Bedingungssatz, der nur an TLW-BB und TLW-B7S gebunden ist, mit Werten ebenfalls gemäß Freigabedokument. Zur ersten Weiche der Auswahl (B 130 °C vs. F 155 °C) siehe den Auswahlleitfaden für dreifach isolierten Draht.