Stromversorgung von Telekom-Basisstationen: Der Trenntransformator im −48V-Gleichrichter

Dieser Beitrag richtet sich an Entwicklungs-, Magnetik- und Einkaufsingenieure, die mit der Stromversorgung von Telekom-Basisstationen und Vermittlungsstellen (central office) zu tun haben. Die Telekom-Stromversorgung hat eine Eigenschaft, die in anderen Anwendungen selten ist: Die Überbrückungszeit steht bereits in Vorschriften und Branchenanforderungen fest — sie wird nicht vom Entwickler gewählt. Diese klar vorgezeichnete „Anforderungsschiene" bestimmt die Gestalt des gesamten Gleichstromsystems mit −48 V und setzt zugleich einen Hochfrequenz-Trenntransformator in jeden Gleichrichter (rectifier). Der Beitrag beginnt bei dieser Anforderungsschiene, öffnet den Gleichrichter für −48 V und erklärt, warum genau dieser Trenntransformator der Einsatzort ist, zu dem dreifach isolierter Draht (TIW, Triple Insulated Wire) passt. Alle Produktwerte von DAH JIN gelten „gemäß Freigabedokument".

1. Die Überbrückungszeit ist eine klar vorgezeichnete „Anforderungsschiene"

In den meisten Anwendungen muss zunächst abgewogen werden, „wie lange überbrückt werden muss"; in der Telekommunikation nicht — die Überbrückungszeit wird meist vorab von der Aufsichtsbehörde oder in den Auslegungsrichtlinien des Betreibers festgelegt und ist eine Anforderung auf Kundenseite (Telekom-Betreiber), auf die weder Geräte- noch Drahtlieferanten Einfluss haben. Wie klar diese Anforderungsschiene ist, zeigen einige öffentliche Beispiele:

• Die US-amerikanische FCC verlangte 2015 in ihren Regeln „Ensuring Continuity of 911 Communications", dass Anbieter ortsfester Sprachdienste für Privathaushalte ihren Kunden eine Option mit 8 Stunden Standby-Notstromversorgung zur Wahl stellen müssen; später wurde dies um eine Option mit 24 Stunden erweitert (ab 2019-02-13).
• Je nach Bedeutung des Knotens sind die Auslegungsziele für Backbone-Standorte länger: Vermittlungsstellen (central office), die direkt eine Notrufleitstelle (PSAP) bedienen, werden häufig auf 24 Stunden bei Volllast ausgelegt, kritische Standorte mit einem selective router auf 72 Stunden.
• Für Mobilfunk-Basisstationen gibt es standortabhängige branchentypische Bereiche (städtisch etwa 2–4 Stunden, Vorstadt etwa 4–6 Stunden, abgelegene Standorte etwa 6–8 Stunden).

Entscheidend ist nicht die einzelne Zahl, sondern dies: Diese Stunden sind harte Anforderungen, und der Weg, sie zu erfüllen, ist nahezu festgelegt — Gleichrichter wandeln das Netz in −48 V Gleichspannung um, versorgen die Last und halten zugleich eine Batteriebank voll geladen; bei Netzausfall trägt die Batterie den Standort über die geforderte Zeit. Das gesamte Stromversorgungssystem mit −48 V existiert im Kern, um diese Anforderungsschiene der Überbrückungszeit zu erfüllen. Das ist auch der Ausgangspunkt der Frage „Wo sitzt der Trenntransformator?" (Die Überbrückungszeiten sind regulatorische bzw. branchenübliche Fakten auf Kundenseite, keine Liefer- oder Produktzusage von DAH JIN.)

2. Das Innere des −48V-Gleichrichters: PFC → Hochfrequenz-Trennung → Gleichrichtung und Filterung

−48 V ist der De-facto-Standard der Telekom-Gleichstromversorgung: ETSI EN 300 132-2 ist die Norm, die die Gleichstrom-Eingangsschnittstelle mit −48 V (interface "A") für ICT-/Telekom-Geräte definiert, mit einer Nennspannung von −48 V (einige Systeme verwenden −54 V). Die Konvention der negativen Spannung hat historische Gründe (vier in Reihe geschaltete 12 V-Batterien; die Erdung des Pluspols verringert die Korrosion von Kupferkabeln). Die Aufgabe des Gleichrichters ist es, das Wechselstromnetz in diese eng geregelte −48 V/−54 V-Schiene umzuwandeln — wie es ein Gleichrichterprodukt der Branche beschreibt: „jede AC-Quelle in die von Funkbasisstationen benötigte −48 V Gleichspannung umwandeln".

Ein Gleichrichter in Schaltnetzteiltechnik (switch-mode) lässt sich in mehrere Stufen zerlegen; was die AC-Seite tatsächlich von der −48 V-Seite trennt, ist ein Hochfrequenz-Trenntransformator darin:

• Eingangsstufe AC-DC (PFC): Leistungsfaktorkorrektur, die das Netz gleichrichtet und auf eine Hochspannungs-Gleichstromschiene anhebt.
• Hochfrequenz-Wechselrichterstufe: zerhackt diese Hochspannungs-Gleichspannung in hochfrequente Wechselspannung und speist sie in den Trenntransformator.
• Trenntransformator: stellt die elektrische Trennung zwischen Primär- und Sekundärseite her — die Sicherheitsbarriere, die das gefährliche Netz von der −48 V-Seite trennt (die mit Batterien, Verteilung und allem verbunden ist, was Wartungspersonal berühren kann).
• Sekundärseitige Gleichrichtung und Filterung: richtet die hochfrequente Wechselspannung erneut gleich und filtert sie zur geregelten Ausgangsspannung von −48 V.

Gleichrichterdesigns Dritter bestätigen dieses Gerüst: Das Schulungsmaterial von TI zum Telekom-Gleichrichter zeigt beispielsweise 1000 W von universellem AC-Eingang auf 48 V Gleichspannung mit verschachtelter PFC und phasenverschobener Vollbrücke (phase-shifted full bridge) als DC/DC; auch die Patentliteratur beschreibt den AC-DC-Gleichrichter als „PFC erzeugt Hochspannungs-Gleichstrom → Wechselrichter erzeugt hochfrequente Wechselspannung → Übertragung über den Trenntransformator → Gleichrichtung und Filterung zur Versorgung der −48 V-Batterieschiene". Unabhängig von den Details der Topologie steht zwischen Primär- und Sekundärseite dieser Trenntransformator, und er muss die Stufe verstärkte Isolierung (Reinforced) erreichen — denn er trennt das Netz, das Menschen gefährden kann, von der −48 V-Seite, die den gesamten Standort versorgt.

3. Der Trenntransformator: Der Einsatzort, zu dem dreifach isolierter Draht (TIW) passt

Um diesen Trenntransformator auf verstärkte Isolierung zu bringen, gibt es konstruktiv zwei Wege: Entweder man fügt „Margin-Tape (Randisolierband) + Barriereschichten" hinzu, was Breite am Spulenkörper (bobbin) kostet und den Wickelraum einengt; oder man setzt direkt dreifach isolierten Draht ein. Genau hier liegt der Wert des dreifach isolierten Drahts — er bringt drei unabhängige Isolierschichten mit und erreicht mit einem einzigen Draht die verstärkte Trennung auf der Wicklung, sodass Kriechstrecke (creepage) und Luftstrecke (clearance) zwischen den Wicklungen nahezu nicht mehr berücksichtigt werden müssen; die Wicklung kann bis zum Rand gewickelt werden, und der Transformator wird dadurch kleiner und kompakter. Die Konstruktionspraxis der Branche sagt es direkt: Mit dem Wechsel auf dreifach isolierten Draht lassen sich „Margin-Tapes vermeiden", und „die Anforderungen an Kriech- und Luftstrecke zwischen den Wicklungen gelten nicht mehr".

Für Telekom-Gleichrichter ist das besonders wertvoll. Gleichrichtermodule verlangen hohe Leistungsdichte und Hot-Swap-Fähigkeit (branchenübliche Gleichrichtermodule für −48 V erreichen einen Spitzenwirkungsgrad von etwa 96% und unterstützen hot insertion); wird der Trenntransformator kleiner, passt mehr Leistung in dasselbe Modul, oder das Modul wird flacher. Der Trenntransformator im Gleichrichter für −48 V ist daher der Punkt, an dem dreifach isolierter Draht wirklich passt — anders als in manchen Anwendungen, in denen „die Hauptleistungswicklung nicht mit einadrigem TIW ausgeführt wird", ist hier genau die Stärke gefragt, mit einem Draht die Hochspannungsbarriere zu überbrücken und verstärkte Trennung zu erreichen. Als zugehörige sicherheitstechnische Grundlage ist IEC 62368-1 Annex J der Anhang, der „isolierten Wickeldraht zur Verwendung als (verstärkte) Isolierung" regelt; die Klauseldetails bleiben hier angedeutet, in der Praxis gilt das Freigabedokument.

Die folgende Tabelle stellt den Bedarf dieser Stufe dem Angebot des dreifach isolierten Drahts gegenüber (DAH JIN-Werte stets gemäß Freigabedokument):

• Verstärkte Trennung Primär/Sekundär (Netz ↔ −48 V-Seite) — Was dreifach isolierter Draht (TIW) liefert：Drei unabhängige Isolierschichten; ein Draht erreicht Reinforced-Trennung；DAH JIN-Entsprechung (gemäß Freigabedokument)：Alle vier Typen nach IEC 62368-1 Annex J bewertet, Reinforced; Bedingungen gemäß Freigabedokument
• Einsparung von Kriech-/Luftstrecke, Wickeln bis zum Rand, Miniaturisierung des Transformators — Was dreifach isolierter Draht (TIW) liefert：Kriech-/Luftstrecke zwischen den Wicklungen nahezu nicht anwendbar；DAH JIN-Entsprechung (gemäß Freigabedokument)：Drahtdurchmesser 0.10–1.00 mm (TLW-B7S als 7-fach verseilter Draht, Einzeldraht 0.10–0.30 mm)
• Stabile Trennung und Zertifizierbarkeit im Hochfrequenzbetrieb — Was dreifach isolierter Draht (TIW) liefert：Bewertung der verstärkten Trennung im UL-/VDE-Anerkennungssystem；DAH JIN-Entsprechung (gemäß Freigabedokument)：Wärmeklasse 130(B); TLW-F ist Class F (155 °C) und zusätzlich UL 2353 Reinforced
• Eine zur Hotspot-Temperatur passende Wärmeklasse — Was dreifach isolierter Draht (TIW) liefert：Thermische Beständigkeitsklassen des Materials (B/F)；DAH JIN-Entsprechung (gemäß Freigabedokument)：Beim Einsatz legt das Freigabedokument Typ und Drahtdurchmesserbereich fest

4. Zitierfähige Erstquellen-Bedingungen von DAH JIN und Ausgangspunkt der Auswahl (gemäß Freigabedokument)

Bei der Auswahl von dreifach isoliertem Draht für diesen Trenntransformator im Gleichrichter liefert DAH JIN einen Satz fester Zertifizierungsbedingungen — nicht die Behauptung, „bereits in einem bestimmten Gleichrichter eingesetzt" zu sein. Die vier Typen von DAH JIN für den Markt sind TLW-B, TLW-BB, TLW-B7S und TLW-F; alle sind im Bewertungsumfang IEC 62368-1 Annex J von VDE 40008834 Anlage 200 aufgeführt und als verstärkt (Reinforced) bewertet; die konkrete Arbeitsspannung, Spitzenspannung und Prüffrequenz gelten stets gemäß Freigabedokument und VDE-Zertifikat und werden hier nicht wiederholt. Drahtdurchmesser 0.10–1.00 mm (TLW-B7S als 7-fach verseilter Draht, Einzeldraht 0.10–0.30 mm), Wärmeklasse 130(B); TLW-F ist Class F (155 °C) und zusätzlich UL 2353 Reinforced. Betreffen Geräte neben dem Standort Trennanforderungen aus dem medizinischen Umfeld, sind die Bedingungen nach Annex L (IEC 60601-1) für 2 MOOP/2 MOPP nur an TLW-BB und TLW-B7S gebunden; die Werte gelten ebenfalls gemäß Freigabedokument.

Zu beachten: DAH JIN ist Hersteller (kein Händler) mit eigenem Werk in Guiren, Tainan, Taiwan; der im UL-Eintrag angegebene Fertigungsstandort ist dieses Werk (hergestellt in Taiwan). Beim Einsatz legt das Freigabedokument Typ und Drahtdurchmesserbereich fest; ist eine Registrierung über ein elektrisches Isoliersystem (EIS) erforderlich (DJ-130, UL E318181, System Class 130(B), Komponenten TLW-BB und TLW-B7S), wird zusätzlich ein Authorization Letter (Autorisierungsschreiben) benötigt.

Der erste Schritt der Auswahl ist die Festlegung von Wärmeklasse und Typ: Zur Abgrenzung und Eignung von Klasse B (130 °C) und Klasse F (155 °C) siehe den Auswahlleitfaden für dreifach isolierten Draht; da „Wärmeklasse des Drahts" und „Wärmeklasse des Isoliersystems/Endprodukts" zwei getrennte Einträge sind, die einander nicht ersetzen können, siehe Wärmeklasse des Drahts und Wärmeklasse des Isoliersystems. Ermitteln Sie die tatsächliche Arbeitsspannung, Spitzenspannung, Prüffrequenz und Hotspot-Temperatur des Trenntransformators im Gleichrichter und gleichen Sie sie mit den Annex J-Bedingungen im Freigabedokument ab: Liegen sie innerhalb des Bereichs, ist der Draht wählbar; überschreitet ein Wert den Bereich, ist eine gesonderte Bewertung erforderlich.