Transformador principal del OBC de automoción: por qué este no es el terreno del hilo de triple aislamiento (TIW)

Este artículo está escrito para ingenieros de diseño y de compras de alimentación y componentes magnéticos de cargadores de a bordo (OBC, On-Board Charger) y convertidores DC-DC de automoción. Quizá esté buscando hilo de bobinado para el transformador principal de un OBC y quiera saber si debe usar hilo de triple aislamiento (TIW, Triple Insulated Wire). Primero la conclusión: el transformador principal del OBC no es, en esencia, el terreno del TIW; delante se levantan cuatro muros (temperatura, cualificación, régimen de bobinado y técnica). Este artículo explica uno a uno por qué se sostienen esos cuatro muros y señala con honestidad la única rendija del vehículo donde el TIW podría aparecer: la fuente auxiliar de nivel Tier-2. Solo ofrece orientación y criterios de juicio; todos los valores de los productos DAH JIN son «según el documento de aprobación».

1. Primero, reconocer en qué mundo está cada lado

Para pensar con claridad si «conviene usar TIW», primero hay que distinguir dos mundos diferentes:

• El mundo del OBC de automoción: el OBC es el equipo a bordo que convierte la corriente alterna de la red en corriente continua de alta tensión para cargar la batería. Las potencias habituales son 3,3 / 6,6 / 7,2 kW en monofásico y 11 / 22 kW en trifásico (11 kW se está convirtiendo en el estándar del vehículo eléctrico puro), para sistemas de batería de 400 V y 800 V; la frecuencia de conmutación de la etapa de potencia principal suele situarse en varios cientos de kHz (unos 400–600 kHz, con prototipos a 1 MHz). Su diseño y su cualificación siguen el régimen de la electrónica de automoción.
• El mundo del TIW: el documento de aprobación del TIW se evalúa conforme a UL 2353 / IEC 62368-1 Annex J (seguridad de equipos de tecnologías de la información y la comunicación y de audio/vídeo) e IEC 60601-1 (equipos médicos, según el documento de aprobación), un régimen de aislamiento de seguridad. Ese régimen no es el régimen de cualificación del OBC de automoción.

Los dos mundos difieren en el objeto evaluado, en las normas de evaluación y en los organismos que evalúan. Tomar el «aislamiento de seguridad ICT / médico» del documento de aprobación del TIW como base para adoptarlo en el transformador principal de un OBC de automoción equivale a coger el documento de referencia equivocado. Esa es también la raíz de los cuatro muros que siguen.

2. Los cuatro muros de un vistazo

• Muro de temperatura — Condiciones del transformador principal del OBC de automoción：Entorno de compartimento motor / módulo de potencia; los componentes pasivos de automoción siguen los grados de temperatura de AEC-Q200 (Grade 0: −50 / −40 a +150 °C, para el compartimento motor), a los que se suman los esfuerzos combinados climáticos / mecánicos / químicos de ISO 16750；Posición del TIW (en el régimen de su documento de aprobación)：La clase térmica del hilo es una clasificación de resistencia térmica del material (en DAH JIN, como máximo clase F, 155 °C, según el documento de aprobación), evaluada conforme a normas de seguridad ITE / médicas; no es una cualificación de producto terminado para el entorno combinado de automoción
• Muro de cualificación — Condiciones del transformador principal del OBC de automoción：AEC-Q200 (cualificación de automoción de componentes pasivos, con transformadores / inductancias listados expresamente) + ISO 16750 + LV124 de los fabricantes alemanes；Posición del TIW (en el régimen de su documento de aprobación)：UL 2353 / IEC 62368-1 Annex J (aislamiento de seguridad ITE / AV) + IEC 60601-1 (médico, según el documento de aprobación); no es un régimen de automoción
• Muro de régimen de bobinado — Condiciones del transformador principal del OBC de automoción：Los componentes magnéticos de potencia principal se bobinan sobre todo en planar y con hilo de Litz, para dominar las pérdidas en el cobre a alta frecuencia y alta corriente；Posición del TIW (en el régimen de su documento de aprobación)：El TIW es un único hilo fino con un grueso triple aislamiento, concebido para el «aislamiento reforzado sin línea de fuga»; no es una técnica de bobinado de potencia principal
• Muro técnico — Condiciones del transformador principal del OBC de automoción：3,3–22 kW, 400 / 800 V, varios cientos de kHz a 1 MHz; alta densidad de corriente, pérdidas en el cobre a alta frecuencia, disipación térmica exigente；Posición del TIW (en el régimen de su documento de aprobación)：El TIW monofilar fino está limitado en capacidad de corriente y en pérdidas en el cobre a alta frecuencia, y no es adecuado para los devanados principales de un transformador principal

A continuación se explica cada muro.

3. Muro de temperatura y muro de cualificación: magnitudes distintas, regímenes distintos

La clave del muro de temperatura no es «si aguanta suficiente calor», sino «de qué tipo de clasificación se trata». Los componentes pasivos de automoción se clasifican térmicamente conforme a AEC-Q200: el Grade 0 opera hasta +150 °C (compartimento motor), el Grade 1 hasta +125 °C, el Grade 2 hasta +105 °C y el Grade 3 hasta +85 °C. La clase térmica más alta de los hilos DAH JIN es la clase F, 155 °C (según el documento de aprobación), pero esos 155 °C son una clasificación de resistencia térmica del material y no son la misma magnitud que los +150 °C del Grade 0 de AEC-Q200 (una clasificación de funcionamiento / supervivencia del producto terminado en entorno combinado). La clase térmica del hilo no equivale ni sustituye al grado de temperatura de automoción de un componente magnético terminado. La clase térmica del hilo y la clase térmica del sistema / producto terminado pertenecen a registros distintos; véase Clase térmica del hilo y clase térmica del sistema de aislamiento.

El muro de cualificación es una diferencia de regímenes completos. La electrónica de automoción debe superar AEC-Q200 (cualificación de automoción de componentes pasivos, que cubre expresamente componentes magnéticos como transformadores e inductancias), ISO 16750 (condiciones ambientales y ensayos de equipos eléctricos y electrónicos de vehículos de carretera, en cinco partes: generalidades, cargas eléctricas, cargas mecánicas, cargas climáticas y cargas químicas) y LV124, elaborada por la alianza de fabricantes alemanes (Audi / BMW / Daimler / Porsche / Volkswagen, entre otros) y a menudo más estricta que ISO 16750. El documento de aprobación del TIW no está dentro de ese régimen: es una evaluación de aislamiento de seguridad ITE / médico. Conviene advertir que, aunque DAH JIN también dispone de un producto con conductor cableado (TLW-B7S, de siete hilos), sigue siendo un componente 130(B) del régimen de seguridad ITE, no una cualificación de automoción. Regímenes distintos no pueden sustituirse entre sí.

4. Muro de régimen de bobinado y muro técnico: por qué el transformador principal no usa TIW monofilar fino

El transformador principal del OBC es un componente magnético de potencia de alta frecuencia, alta corriente y alta densidad de potencia. Por encima de varios cientos de kHz, las pérdidas en el cobre a alta frecuencia de los devanados (efecto pelicular y efecto de proximidad) son el principal campo de batalla del diseño, y las soluciones dominantes de la industria son el hilo de Litz (muchos hilos finos que se reparten la corriente) y el transformador planar (devanados formados por capas de PCB / lámina de cobre para elevar la densidad de potencia). Ese es el «muro de régimen de bobinado»: los devanados de potencia principal ya van por estos dos caminos; no es terreno del hilo monofilar.

El posicionamiento de diseño del TIW es justo el contrario: es un hilo esmaltado monofilar más bien fino recubierto de un grueso triple aislamiento, cuyo valor está en que un solo hilo cumple el aislamiento reforzado (Reinforced), ahorra líneas de fuga y cinta aislante, y permite hacer más pequeños los transformadores de potencia baja a media. Puesto en los devanados principales de alta corriente de un transformador principal de OBC, la capacidad de corriente y las pérdidas en el cobre a alta frecuencia del monofilar fino se convierten en el «muro técnico»: para soportar la potencia principal hace falta el reparto multifilar del Litz o la lámina de cobre ancha del planar, no engrosar un solo hilo con aislamiento grueso. Aunque el sistema de 800 V reduce la corriente del secundario (aproximadamente a la mitad) al duplicarse la relación de espiras, aliviando algo la presión de corriente, la elección de la técnica de bobinado del devanado de potencia principal no cambia por ello al TIW monofilar.

En una frase: en la capa del transformador principal, las condiciones físicas de bobinado y de capacidad de corriente dejan al TIW monofilar fino fuera de la puerta; eso no lo puede compensar ni una marca ni un documento de aprobación.

5. La única rendija posible: la fuente auxiliar de nivel Tier-2

Con honestidad, el vehículo no carece por completo de un sitio para el TIW, pero no está en la potencia principal, sino en la fuente auxiliar de nivel Tier-2. Dentro del OBC y del DC-DC de automoción suele haber, además, fuentes de polarización / auxiliares aisladas (bias power supply), transformadores de aislamiento para la excitación de puerta (gate-drive isolation transformer) y devanados auxiliares de flyback. Son aplicaciones de baja potencia que, aun así, necesitan aislamiento reforzado a través de la barrera de alta tensión, justo el punto fuerte del TIW, «aislamiento reforzado con un solo hilo», y la industria efectivamente usa TIW en este tipo de pequeños transformadores de aislamiento.

Pero esta rendija lleva una salvedad honesta: incluso en Tier-2, en automoción el componente magnético terminado debe pasar la cualificación AEC-Q200 / ISO 16750 / LV124. El documento de aprobación del hilo cubre el material (tipo y rango de diámetros, según el documento de aprobación); no significa que el producto terminado haya superado la cualificación de automoción. Dicho de otro modo, donde el TIW «puede aparecer» en el vehículo es en estos devanados auxiliares Tier-2, pero la responsabilidad de «si el producto terminado supera la cualificación de automoción» sigue estando en el lado del diseño del componente magnético terminado; un documento de aprobación del hilo no puede asumirla. Para evaluar esta rendija, aclare primero quién asume la cualificación de automoción del producto terminado.

Para el primer paso de la selección (B 130 °C vs F 155 °C, etc.), consulte la guía de selección.