L’isolamento nei convertitori DC/DC è un fattore di estrema importanza, specialmente per i dispositivi utilizzati in settori critici. Esaminiamo i concetti e i componenti per particolari applicazioni, dove è indispensabile un tasso di isolamento più elevato e quindi un altissimo livello di sicurezza.
Introduzione
La funzionalità dei convertitori CC-CC isolati è quella di convertire una sorgente di corrente continua da una tensione a un’altra. Essi prevedono, al loro interno, la presenza di una barriera elettrica tra l’ingresso e l’uscita per migliorare la sicurezza.
Sono utilizzati per scopi diversificati, tra cui le apparecchiature di telecomunicazioni, apparecchiature industriali, medicali ed elettronica di consumo. Le applicazioni critiche necessitano di convertitori di corrente e di tensione isolati.
Questo termine indica un dispositivo la cui uscita non risulta direttamente collegata con l’ingresso e l’energia viene trasmessa senza un collegamento elettrico diretto ma attraverso un accoppiamento induttivo.
In questa maniera i livelli di sicurezza sono molto più elevati, dal momento che vengono a mancare i presupposti per un accidentale contatto pericoloso (vedi masse in comune o sistemi di trasformazione diretti). RECOM Power produce convertitori DC/DC dall’isolamento eccezionalmente elevato, anche superiore a 20kVDC in contenitori molto compatti. I diversi modelli prevedono tante tensioni d’ingresso e sono resistenti a un vasto intervallo di temperature di funzionamento estreme. Le applicazioni includono monitoraggi a vuoto spinto, apparecchiature a raggi X, sistemi medicali, sistemi di estrazione della polvere HVAC e applicazioni industriali ad alta tensione, in cui è richiesta un’alimentazione con isolamento molto elevata.
Convertitori non isolati
Al contrario, un convertitore non isolato può ridurre o aumentare efficacemente una tensione di ingresso CC a una tensione di uscita inferiore o superiore. Esso presenta i seguenti vantaggi rispetto a un convertitore CC/CC isolato:
- poiché non viene utilizzato un trasformatore e l’ingresso e l’uscita condividono una linea comune, l’efficienza può essere molto elevata (anche maggiore del 97%). Queste basse perdite consentono una temperatura operativa più ampia e una maggiore densità di potenza rispetto ai convertitori isolati;
- l’operatività di switching può variare in un intervallo più ampio per compensare le variazioni del carico o della tensione di ingresso. Il suo funzionamento, pertanto, è più efficiente con diverse tensioni d’ingresso o diversi valori di carico;
- i regolatori non isolati utilizzano spesso un controller IC veloce, consentendo tempi di reazione molto rapidi alle variazioni dinamiche del carico e alle condizioni di corto circuito.
Perché isolamento?
Ci sono molti motivi per cui si dovrebbero usare i convertitori DC/DC isolati, ma le applicazioni più comuni sono:
- per accoppiare i carichi all’alimentazione (ad es. per generare uscite più alte, più basse o doppie da una singola fonte o per generare una alimentazione invertita);
- per isolare i circuiti del primario e del secondario, per motivi di sicurezza o per proteggere un circuito sensibile alle interferenze;
- per semplificare gli alimentatori. Usando, ad esempio, più convertitori di uscita è possibile ridurre la complessità dell’alimentazione, i costi complessivi e i requisiti di spazio sulla scheda, aumentando allo stesso tempo flessibilità, affidabilità ed efficienza del sistema. Implementando doppie uscite indipendenti è possibile ottenere uscite isolate a due canali usando un solo convertitore.
Un convertitore CC/CC isolato trasforma la tensione di ingresso CC in tensione di uscita CC uguale o diversa, che viene elettricamente modificata tramite un trasformatore interno. I motivi sono molteplici:
- per interrompere il loop di terra, in questo modo le interferenze elettriche sulla linea non possono influire su altre parti del circuito. L’alimentazione può essere, in tal modo, stabile e silenziosa;
- per modificare il punto di riferimento dell’alimentazione;
- per motivi di sicurezza. Tale aspetto è fondamentale nelle applicazioni mediche, al fine di proteggere i pazienti da eventuali guasti delle apparecchiature;
- per la sicurezza dell’intero circuito. Essendo i canali separati, in caso di guasto o di cortocircuito di una linea sarà interessata solo la parte coinvolta.
Il convertitore RHV3-2424S/R20
La famiglia RHV3 è un portafoglio di convertitori DC/DC con un isolamento eccezionalmente elevato di 20kVDC, contenuti in package SIP16 compatto. Le tensioni di ingresso possono essere 5, 12 o 24 V CC mentre quelle di uscita sono di 5 V, 12 V, 24 V, +/- 5 V o +/- 12 V, con una dissipazione di potenza di circa 3 W. La temperatura operativa di esercizio va da -40° C a +80° C. Le vaste applicazioni prevedono il monitoraggio a vuoto spinto, apparecchiature a raggi X, sistemi di estrazione della polvere HVAC e altre applicazioni industriali ad alta tensione, in cui è richiesta un’alimentazione remota isolata molto elevata.
L’intera famiglia prevede le certificazioni IEC/EN62368-1 e IEC/EN61010-1. La capacità massima di isolamento è di soli 4 pF. Tale parametro è determinato con un ingresso minimo e un carico resistivo costante. L’efficienza è testata con ingresso nominale e a pieno carico con temperatura ambiente di 25° C. I modelli sono dotati di filtro interni capacitivi per migliorare le risposte in uscita. La frequenza interna di switching tipica è di circa 45 kHz.
Con una efficienza fino all’81%, il dispositivo consente la progettazione di dispositivi performanti e sicuri allo stesso tempo. Essa dipende in gran parte, come si può evincere dal grafico, dall’entità del carico collegato.
Parametri d’isolamento
Per le applicazioni sensibili, queste tipologie di parametri e di analisi risultano, indubbiamente, molto interessanti. I progettisti, infatti, devono utilizzare tali dispositivi se necessita un alto grado di sicurezza e i valori d’isolamento sono quelle che dovrebbero essere esaminate con più attenzione. La tensione massima d’isolamento ammonta a 20kVDC per un’applicazione di 1 secondo. Un test più duraturo ha confermato, invece una tensione massima di 12.5kVAC per un’applicazione di 1 minuto. La resistenza specifica è di 15GigaOhm mentre, come detto prima, la capacità tipica d’isolamento è di circa 3.5/4 pF.
