GaN und USB-PD haben AC-DC-Transformatoren in den Bereich „höhere Frequenz, kleineres Volumen, höhere Leistungsdichte“ geschoben – und mit ihnen haben sich die Regeln für die Sekundärwicklung geändert. Dieser Beitrag richtet sich an Entwicklungs- und Einkaufsingenieure für Schnellladegerät-Transformatoren: warum die Sekundärseite zu feinem Draht und mehreren Einzeldrähten tendiert, wann ein TIW mit verstärkter Isolierung die richtige Wahl ist und welche Werte bei der Auswahl korrekt „gemäß Freigabedokument“ anzugeben sind.
GaN und USB-PD haben AC-DC-Transformatoren in den Bereich „höhere Frequenz, kleineres Volumen, höhere Leistungsdichte“ geschoben – und mit ihnen haben sich die Regeln für die Sekundärwicklung geändert. Dieser Beitrag richtet sich an Entwicklungs- und Einkaufsingenieure für Schnellladegerät-Transformatoren: warum die Sekundärseite zu feinem Draht und mehreren Einzeldrähten tendiert, wann ein TIW mit verstärkter Isolierung die richtige Wahl ist und welche Werte bei der Auswahl korrekt „gemäß Freigabedokument“ anzugeben sind.
Warum GaN / USB-PD den Transformator zu hoher Frequenz und feinem Draht treiben
GaN-Bauelemente haben geringere Schaltverluste, sodass die in Schnellladegeräten üblichen Sperrwandler-Topologien (Flyback; meist quasiresonanter QR-Flyback oder Active-Clamp-Flyback) die Schaltfrequenz anheben können. Bei höherer Frequenz schrumpfen bei gleicher Leistung sowohl die benötigte Induktivität als auch das Kernvolumen – genau das ist der wichtigste Hebel, mit dem GaN-/USB-PD-Schnellladegeräte ihre hohe Leistungsdichte erreichen; in der Praxis liegen die Frequenzen im Bereich von einigen hundert kHz bis 1 MHz.
Sobald die Frequenz steigt, zeigt sich jedoch der Preis in der Wicklung: Die Wechselstrom-Kupferverluste bei hoher Frequenz (skin effect – Skineffekt, proximity effect – Proximity-Effekt) werden zu einem der Hauptverluste. Der Skineffekt konzentriert den Strom am äußeren Rand des Leiters, der wirksame Querschnitt wird kleiner und der Hochfrequenzwiderstand steigt; die Eindringtiefe (skin depth) in Kupfer nimmt mit steigender Frequenz ab, in der Größenordnung von 0.21 mm bei 100 kHz und etwa 66 µm bei 1 MHz. Mit anderen Worten: Bei den Arbeitsfrequenzen eines Schnellladegeräts „leitet“ ein großer Teil des Querschnitts eines dicken Einzeldrahts schlicht nicht.
Warum die Sekundärseite zu feinem Draht und mehreren Einzeldrähten übergeht
Die Sekundärseite eines Schnellladegeräts führt niedrige Spannung und hohen Strom – und das bei hoher Frequenz. Mit einem dicken Einzeldraht treiben Skineffekt und Proximity-Effekt den Hochfrequenzwiderstand weit über den Gleichstromwiderstand, und sowohl Erwärmung als auch Wirkungsgrad leiden. Übliche Praxis in der Branche ist der Wechsel zu mehreren parallel gewickelten feinen Einzeldrähten oder zu verseiltem Draht (einschließlich des Prinzips der Hochfrequenzlitze, litz), sodass der Durchmesser jedes Einzeldrahts kleiner als eine Eindringtiefe ist und sich der Strom auf mehr Einzeldrähte verteilt; damit werden die hochfrequenten Wechselstrom-Kupferverluste gedrückt. Eine gängige Faustregel: den Einzeldrahtdurchmesser unter etwa dem Zweifachen der Eindringtiefe halten.
Zu beachten ist: Der Proximity-Effekt lässt sich nicht allein durch kleinere Drahtdurchmesser lösen, sondern erfordert zusätzlich eine passende Lagenaufteilung und Wickelanordnung – das gehört zum Umsetzungs-Know-how und wird hier nur angerissen. Für die Materialauswahl ist der Kern: Die Sekundärseite braucht einen Draht, der „in feinen Durchmessern herstellbar und in mehrdrähtiger / verseilter Form lieferbar“ ist.
Verstärkte Isolierung und hohe Leistungsdichte: der Vorteil von TIW ohne Randstreifen
Zwischen Primär- und Sekundärseite eines Schnellladegeräts ist eine verstärkte Isolierung (reinforced insulation) erforderlich. Der traditionelle Weg stützt sich auf Sandwich-Wicklung plus beidseitige Randstreifen (Margin-Tape), um Kriech- und Luftstrecken aufzubauen; die Ränder fressen jedoch Wickelfenster und stehen dem Ziel „Miniaturisierung und hohe Leistungsdichte“ entgegen.
Dreifach isolierter Draht (TIW) baut die verstärkte Isolierung direkt in den Leiter ein. Nach der Bewertung auf Bauteilebene gemäß IEC 62368-1 Annex J vereinfachen sich mit TIW Kriech- und Luftstrecken zwischen den Wicklungen erheblich und sind nicht mehr der Engpass des Wickelfensters; die Randstreifen können entfallen und das Fenster lässt sich voll bewickeln – für die kleinen, hochverdichteten Designs von Schnellladegeräten ein besonderer Vorteil. Ein Hinweis bleibt: Der Kern gilt als leitfähiges Teil, daher sind Kriech- und Luftstrecken von der Wicklung zum Kern und zu den Anschlüssen weiterhin gemäß Sicherheitsnorm einzuhalten; es geht nicht alles auf null. Die tatsächlichen Bewertungsbedingungen und Drahtdurchmesserbereiche der einzelnen Typen richten sich ausnahmslos nach dem Freigabedokument; Details der Norm werden hier nicht vertieft.
Zu den Unterschieden zwischen TIW, gewöhnlichem Lackdraht und FIW sowie zum Zusammenhang zwischen Wärmeklasse und dem gesamten Isoliersystem siehe /news/tiw-vs-fiw-vs-enamelled-wire und /news/wire-vs-system-thermal-class.
Wie die DAH JIN TLW-Serie zum Feindraht der Schnellladegerät-Sekundärseite passt
DAH JIN ist Hersteller von dreifach isoliertem Draht (kein Händler) mit eigenem Werk in Guiren, Tainan, Taiwan – hergestellt in Taiwan. Für die Anforderung der Schnellladegerät-Sekundärseite „feiner Draht + mehrere Einzeldrähte + verstärkte Isolierung“ greifen mehrere Eigenschaften der TLW-Serie unmittelbar:
- Die TLW-Serie (TLW-B / TLW-BB) deckt einen durchgehenden Drahtdurchmesserbereich von fein bis dick ab, einschließlich des Feindraht-Bereichs, den Schnellladegeräte benötigen.
- TLW-B7S ist eine aus 7 Einzeldrähten verseilte Ausführung und entspricht genau der Praxis, bei hoher Frequenz den Strom auf mehrere Einzeldrähte / verseilten Draht zu verteilen und so die Wechselstrom-Kupferverluste zu senken; er ist Komponente des Isoliersystems DJ-130 (System Class 130(B)).
- TLW-F hat die Wärmeklasse Class F (155 °C), ist nach VDE 40008834 (IEC 62368-1 Annex J) als Reinforced bewertet und eignet sich für kleine Designs mit hoher Leistungsdichte und knapper thermischer Reserve.
- TLW-BB und TLW-B7S bieten als TIW verstärkte Isolierung und unterstützen eine kompakte Bewicklung ohne Randstreifen mit voll genutztem Fenster.
Die folgende Tabelle ordnet typische Anforderungen der Schnellladegerät-Sekundärseite den DAH JIN-Typen zu, die ihnen entsprechen können; konkrete Werte richten sich ausnahmslos nach dem Freigabedokument.
- Stromaufteilung auf mehrere Einzeldrähte / verseilten Draht bei hoher Frequenz — Ansatz：Aus 7 Einzeldrähten verseilt；Wählbare DAH JIN-Typen：TLW-B7S；Spezifikation：Einzeldrahtdurchmesser und Anzahl der Einzeldrähte gemäß Freigabedokument
- Verstärkte Isolierung, voll genutztes Fenster ohne Randstreifen — Ansatz：Verstärkte Isolierung durch TIW；Wählbare DAH JIN-Typen：TLW-BB / TLW-B7S / TLW-F；Spezifikation：Bewertungsbedingungen gemäß Freigabedokument
- Knappere thermische Reserve — Ansatz：Class F (155 °C)；Wählbare DAH JIN-Typen：TLW-F；Spezifikation：Wärmeklasse und Drahtdurchmesser gemäß Freigabedokument
- Feindraht-Bereich — Ansatz：Feiner Drahtdurchmesser；Wählbare DAH JIN-Typen：TLW-Serie；Spezifikation：Drahtdurchmesser gemäß Freigabedokument
Die Auswahlschritte (wie Drahtdurchmesser, Anzahl der Einzeldrähte, Wärmeklasse und Isoliersystem gemeinsam festgelegt werden) finden Sie unter /news/tiw-selection-guide; die Zuordnung von Wärmeklasse und Systemisolierung unter /news/wire-vs-system-thermal-class. Für den tatsächlichen Drahtdurchmesser, die Anzahl der Einzeldrähte und die Isolierungsklasse der Schnellladegerät-Sekundärseite gilt das Freigabedokument – oder wenden Sie sich an unseren Vertrieb.
Häufig gestellte Fragen
Soll die Sekundärseite eines Schnellladegeräts einen dicken Einzeldraht oder feine mehrdrähtige / verseilte Drähte verwenden?
Im hochfrequenten Arbeitspunkt eines Schnellladegeräts sind die Wechselstrom-Kupferverluste (Skin- und Proximity-Effekt) eines dicken Einzeldrahts hoch; in der Branche wechselt man üblicherweise zu mehreren parallel gewickelten feinen Einzeldrähten oder zu verseiltem Draht, um den Strom zu verteilen und den Einzeldrahtdurchmesser unter einer Eindringtiefe zu halten. DAH JIN TLW-B7S ist aus 7 Einzeldrähten verseilt und entspricht genau diesem Bedarf; Einzeldrahtdurchmesser und Anzahl der Einzeldrähte gemäß Freigabedokument.
Wenn TIW auf der Sekundärseite verwendet wird – müssen zwischen den Wicklungen weiterhin Kriech- / Luftstrecken eingehalten werden?
TIW ist nach IEC 62368-1 Annex J als verstärkte Isolierung bewertet; Kriech- und Luftstrecken zwischen den Wicklungen sind damit nicht mehr der Engpass des Wickelfensters, und die Randstreifen können entfallen. Der Kern gilt jedoch als leitfähiges Teil, und Kriech- und Luftstrecken von der Wicklung zum Kern und zu den Anschlüssen sind weiterhin gemäß Sicherheitsnorm einzuhalten. Bewertungsbedingungen der einzelnen Typen gemäß Freigabedokument.
Soll man für ein kleines Schnellladegerät mit hoher Leistungsdichte 130(B) oder Class F wählen?
Das hängt von der tatsächlichen Hot-Spot-Temperatur der Wicklung und vom Design des gesamten Isoliersystems ab. DAH JIN bietet 130(B) mit TLW-B / TLW-BB / TLW-B7S sowie Class F (155 °C) mit TLW-F; der Zusammenhang von Wärmeklasse und Systemisolierung steht unter /news/wire-vs-system-thermal-class, die Auswahlschritte unter /news/tiw-selection-guide, die tatsächliche Klasse gemäß Freigabedokument.
Wie fein kann der Feindraht-Bereich der Sekundärseite werden?
Die DAH JIN TLW-Serie deckt den Feindraht-Bereich ab, den Schnellladegeräte benötigen, und TLW-B7S wird als aus 7 Einzeldrähten verseilter Draht geliefert; für den tatsächlich kleinsten Drahtdurchmesser und die Anzahl der Einzeldrähte der Schnellladegerät-Sekundärseite gilt das Freigabedokument – oder lassen Sie sich den lieferbaren Bereich von unserem Vertrieb bestätigen.