EMC中的隔離技術

　　1 引言

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/274002.htm

　　電力電子設備包括兩部分，即變換部分與控制部分。前者屬於功率流強電範疇，後者屬於信息流弱電範疇。一般情況下前者是主電磁幹擾源，後者是被幹擾對象。為了使電力電子設備可靠地運行，除了解決變換部分與控制部分之間的電氣隔離外，還要解決控制部分的抗電磁幹擾的問題，特別是當變換部分處於高電壓、強電流、高頻變換情況下尤其重要。抗幹擾問題實質上是解決電力電子設備的電磁兼容問題。

　　隔離技術是電磁兼容性中的重要技術之一。下面將電磁兼容中的隔離技術分為磁電、光電、機電、聲電和浮地等幾種隔離方式加以敘述。

　　2 磁電隔離技術

　　2.1 利用變壓器實現磁電隔離的基本原理

　　變壓器主要由繞在共同鐵心上的兩個或多個繞組組成。當在一個繞組上加上交變電壓時，由於電磁感應而在其它繞組上感生交變電壓。因此變壓器的幾個繞組之間是通過交變磁場互相聯繫的，在電路上是互相隔離的。其隔離的介電強度取決於幾個繞組之間以及它們對地的絕緣強度。

　　2.2 理想變壓器的特性

　　理想變壓器是假定變壓器繞組的電阻為零;變壓器的漏磁為零;鐵心的損耗為零以及鐵心的導磁率為無窮大。

　　2.2.1 電壓關係

　　E1=4.44fN1Φm (1)

　　E1/E2=U1/U2=N1/N2=n (2)

　　式中：E1——變壓器原邊的感應電勢;

　　E2——變壓器副邊的感應電勢;

　　U1——變壓器原邊的電壓;

　　U2——變壓器副邊的電壓;

　　N1——變壓器原邊繞組的匝數;

　　N2——變壓器副邊繞組的匝數;

　　f——變壓器原邊電壓的頻率;

　　Φm——變壓器鐵心中磁通的峰值;

　　n——變壓器原副邊繞組的匝數比。

　　2.2.2 電流關係

　　I1/I2=N2/N1=1/n (3)

　　式中：I1——變壓器原邊的電流;

　　I2——變壓器副邊的電流。

　　2.2.3 功率關係

　　P1=P2=U1I1=U2I2 (4)

　　式中：P1——變壓器原邊的輸入功率;

　　P2——變壓器副邊的輸出功率。

　　2.2.4 阻抗關係

　　副邊的阻抗為：

　　Z2=U2/I2 (5)

　　原邊的阻抗為：

　　Z1=U1/I1=n2U2/I2=n2Z2 (6)

　　式中：Z1——變壓器原邊的阻抗;

　　Z2——變壓器副邊的阻抗。

　　2.3 實際變壓器

　　2.3.1 鐵心的導磁率

　　由於實際變壓器鐵心的導磁率並非無窮大，所以變壓器在空載時就存在激磁電流。如果鐵心材料的性能不好，則激磁電流佔變壓器原邊輸入電流的比例將增大，變壓器副邊輸出電流將降低。

　　由於實際變壓器鐵心的導磁率並非常數，因此將導致輸出波形的畸變。特別是當鐵心飽和時，鐵心的導磁率極大地降低，引起激磁電流急速增加，可能導致變壓器燒毀。

　　2.3.2 鐵心存在損耗

　　由於實際變壓器鐵心存在渦流損耗和磁滯損耗，這些損耗不僅導致變壓器的效率降低，而且引起鐵心發熱、甚至可能導致絕緣損壞。由於鐵心的渦流損耗和磁滯損耗都與電壓和頻率有關，所以對不同的電壓和頻率，應當選擇不同的鐵心材料。

　　2.3.3 繞組存在電阻

　　由於實際變壓器的繞組存在電阻，故變壓器工作時繞組必將產生熱損耗。特別當工作頻率較高時，集膚效應將導致繞組電阻增加，使發熱損耗增大。

　　由於實際變壓器繞組的散熱條件較差，所以應當注意變壓器的散熱和繞組導線電流密度的選取。

　　2.3.4 變壓器存在漏磁

　　變壓器的漏磁易對變壓器附近的元器件和導線形成幹擾，為此，在選用變壓器作隔離時，應當選擇漏磁小的變壓器，否則，應對變壓器加強磁場屏蔽。

　　2.3.5 變壓器原、副邊間存在寄生電容

　　由於電源變壓器原、副邊間存在寄生電容，進入電源變壓器原邊的高頻幹擾能通過寄生電容耦合到的副邊。而在電源變壓器原、副邊間增加靜電屏蔽後，該屏蔽與繞組間形成新的分布電容，當將屏蔽接地後，可以將高頻幹擾通過這一新的分布電容引回地，而起到抗電磁幹擾的作用。

　　2.3.6 幾個繞組之間以及對地的絕緣強度

　　繞組之間以及對地的絕緣強度取決於需要隔離的耐壓水平。該耐壓水平包括工作電壓、電壓波動、可能的瞬態過電壓以及為可靠工作而留有的餘量。

　　2.3.7 工作頻率

　　工作頻率不僅對變壓器的鐵心損耗產生影響，而且變壓器的阻抗與頻率密切相關。比如：電感L的阻抗與頻率成正比，而電容C的阻抗與頻率成反比。

　　由於磁電隔離是通過變壓器而實現的，當變壓器繞組間寄生電容較大時，應當與屏蔽和接地技術相配合。

　　2.4 變壓器的種類和應用

　　2.4.1 普通變壓器

　　普通變壓器在工頻場合只作為一般電源變壓器用，將某一等級的電壓和電流轉變成另一等級的電壓和電流，由於沒有採用任何特殊措施，對高頻的電路隔離效果較差。

　　2.4.2 隔離變壓器

　　由於普通變壓器繞組間的寄生電容較大(未加屏蔽層為nF級，加屏蔽為pF級)，為了提高對高頻幹擾的隔離效果，可以在普通變壓器繞組間增加一層屏蔽，並將該層屏蔽接地(接地線的長度應儘量短，否則因接地線的阻抗分壓而使對幹擾的衰減變差)而成為隔離變壓器。圖1為典型單屏蔽層隔離變壓器的對幹擾的衰減。

　　

 

　　圖1 單屏蔽層隔離變壓器的典型對幹擾的衰減能力

　　如果在上述基礎上，再對變壓器的每個繞組都分別增加一層屏蔽，並將各繞組的屏蔽分別接到各繞組的低電位上，其隔離效果會更好。

　　2.4.3 脈衝變壓器

　　在電力電子設備中，脈衝變壓器多用於晶閘管觸發電路、間歇振蕩器和脈衝放大器的級間耦合。脈衝變壓器的主要參數為有效脈衝導磁率、起始導磁率、漏感、分布電容以及匝比等。

　　2.4.4 測量變壓器

　　一般測量用的變壓器是指電壓互感器和電流互感器。電壓互感器或電流互感器將強電的電壓或電流隔離並轉換為弱電的電壓或電流。測量變壓器的主要參數為絕緣電壓、電壓(或電流)的轉換比及其精度等。

　　2.5 霍爾傳感器

　　霍爾傳感器是利用霍爾效應進行電磁測量的器件，由於磁場的介入而實現電的隔離。霍爾傳感器具有精度高、線性度好、動態性能好、頻率響應寬和壽命長等優點。

　　3 光電隔離技術

　　3.1 光電耦合器

　　光電隔離採用光電耦合器來實現，即通過半導體發光二極體(LED)的光發射和光敏半導體(光敏電阻、光敏二極體、光敏三極體、光敏晶閘管等)的光接收，來實現信號的傳遞。由於發光二極體和光敏半導體是互相絕緣的，從而實現了電路的隔離。

　　當給發光二極體加以正向電壓時，由於空間電荷區勢壘下降，P區空穴注入到N區，產生電子與空穴的複合，複合時放出大部分為光形式的能量。給發光二極體加的正向電壓越高，複合時放出的光通量越大。當然，給發光二極體加的正向電壓受其最大允許電流的限制。

　　當光敏半導體，比如光敏二極體，受到光照射時，在PN結附近產生的光生電子-空穴對在PN結的內電場作用下形成光電流。光的照度越強，光電流就越大。當光敏半導體沒受到光照射時，只有很小的暗電流。

　　3.2 光電耦合器的特性

　　光電耦合器的特性是用發光二極體的輸入電流和光敏半導體的輸出電流的函數關係來表示的，如圖2所示。

　　

 

　　圖2 光電耦合器的特性曲線

　　從光電耦合器的特性曲線可以看出，光電耦合器的線性度較差，可以利用反饋技術進行校正。

　　3.3 光電耦合器的應用

　　由於光電耦合器的輸入阻抗與一般幹擾源的阻抗相比較小，因此分壓在光電耦合器的輸入端的幹擾電壓較小，它所能提供的電流並不大，不易使半導體二極體發光;由於光電耦合器的外殼是密封的，它不受外部光的影響;光電耦合器的隔離電阻很大(約1012Ω)、隔離電容很小(約幾個pF)所以能阻止電路性耦合產生的電磁幹擾。光電耦合器的隔離阻抗隨著頻率的提高而降低，抗幹擾效果也將降低。

　　3.4 紅外遙控

　　紅外遙控在本質上屬於光電耦合，只不過其發光器件和光接收器件不封裝在一起，因此紅外遙控的隔離效果更好。

　　3.5 光纜

　　光纜在本質上也屬於光電耦合，其發光器件和光接收器件是通過光纜連接的，由於外界幹擾很難進入光纜，因此光纜的隔離效果最好。

　　4 機電隔離技術

　　4.1 有觸點電磁繼電器

　　機電隔離一般採用有觸點電磁繼電器來實現，即電磁繼電器的線圈接收信號，機械觸點發送信號。由於機械觸點分斷時，阻抗很大，電容很小，從而阻止了電路性耦合產生的電磁幹擾的傳輸。但是繼電器的線圈工作頻率較低，不適用於工作頻率較高的場合，另外還存在觸點通斷時的彈跳和火花幹擾以及接觸電阻等缺點。

　　4.2 應用有觸點電磁繼電器的注意事項

　　4.2.1 機械觸點的電磁幹擾

　　在機械觸點分斷信號電流的過程中，由於電路電感的存在將會在觸點間感生過電壓，這個過電壓可能會導致觸點間隙擊穿而產生電弧;當觸點間隙加大時，電弧熄滅，觸點間電壓又升高，電弧又重燃;如此重複，直到觸點間距足夠大電流中斷時為止。

　　上述過程中，產生的電弧和峰值大、頻率高的電壓脈衝串將通過輻射和傳導對其它電路和器件形成強烈的幹擾。

　　4.2.2 機械觸點的熄火花電路

　　機械觸點的熄火花電路由電阻R和電容C串聯組成。其原理是用電容轉換觸點分斷時負載電感L上的能量，從而避免在觸點上產生過電壓和電弧造成的電磁幹擾，最終由電阻吸收這部分能量。

　　電路參數計算如下：

　　R>2(L/C)1/2 (7)

　　C1=4L/R2(8)

　　C2=(Im/300)2L(9)

　　式中：R——電阻(Ω);

　　L——負載電感(μH);

　　Im——負載電感中的最大電流(A);

　　C取C1、C2中大者。

　　4.2.3 電感負載的續流電路

　　直流電路電感負載的續流電路是用二極體反並聯在電感負載上。當切斷電感負載時，其上的電流經二極體續流，不會產生過電壓而危及電路上的其它器件。

　　參數選擇如下：

　　IF>2IN (10)

　　URRM>2UN (11)

　　式中：IF——二極體正向平均電流;

　　URRM——二極體反向重複峰值電壓;

　　IN——電感負載的額定電流;

　　UN——電感負載的額定電壓。

　　如果用壓敏電阻代替二極體，其效果會更好。因為壓敏電阻吸收能量更快，從而減小了動作響應時間。

　　5 聲電隔離技術

　　5.1 聲表面波濾波器

　　聲表面波器件採用具有壓電效應的固體材料作基片，在基片上的兩端分別設有指叉交錯的金屬換能器。把交變電信號加到發射換能器上，由於逆壓電效應，壓電體表面產生變化的應變，就能激發出聲表面波。當聲表面波在固體表面傳播到接收換能器上時，由於正壓電效應，而在接收換能器上就會得到電信號。由於兩個指叉交錯的金屬換能器在電氣上是無聯繫的，因而實現了電路的隔離。

　　由於指叉換能器具有一個固有的中心頻率，當電信號與該中心頻率一致時，產生共振，而發出最強的聲表面波。其它頻率的聲表面波很弱，而被抑制掉。所以聲表面波濾波器的隔離效果是很好的。

　　5.2 聲表面波濾波器的應用

　　聲表面波濾波器目前主要應用在電視和通訊中，作為帶通、帶阻濾波器、鑑頻器和振蕩器等等。

　　6 浮地技術

　　6.1 浮地

　　浮地，即該電路的地與大地無導體連接。其優點是該電路不受大地電性能的影響。其缺點是該電路易受寄生電容的影響，而使該電路的地電位變動和增加了對模擬電路的感應幹擾。

　　浮地可使功率地(強電地)和信號地(弱電地)之間的隔離電阻很大，所以能阻止共地阻抗電路性耦合產生的電磁幹擾。

　　6.2 浮地技術的應用

　　6.6.2 交流電源地與直流電源地分開

　　一般交流電源的零線是接地的。但由於存在接地電阻和其上流過的電流，導致電源的零線電位並非為大地的零電位。另外，交流電源的零線上往往存在很多幹擾，如果交流電源地與直流電源地不分開，將對直流電源和後續的直流電路正常工作產生影響。因此，採用把交流電源地與直流電源地分開的浮地技術，可以隔離來自交流電源地線的幹擾。

　　6.6.2 放大器的浮地技術

　　對於放大器而言，特別是微小輸入信號和高增益的放大器，在輸入端的任何微小的幹擾信號都可能導致工作異常。因此，採用放大器的浮地技術，可以阻斷幹擾信號的進入，提高放大器的電磁兼容能力。

　　6.3 浮地技術的注意事項

　　1)儘量提高浮地系統的對地絕緣電阻，從而有利於降低進入浮地系統之中的共模幹擾電流。

　　2)注意浮地系統對地存在的寄生電容，高頻幹擾信號通過寄生電容仍然可能耦合到浮地系統之中。

　　3)浮地技術必須與屏蔽、隔離等電磁兼容性技術相互結合應用，才能收到更好的預期效果。

　　4)採用浮地技術時，應當注意靜電和電壓反擊對設備和人身的危害。

　　7 結語

　　採用電磁兼容中的隔離技術的主要目的是：為了電力電子設備的可靠運行而將幹擾源部分和敏感部分隔離開。電磁兼容中的隔離技術主要可分為機電、磁電、光電、聲電和浮地等幾種隔離方式。其中，磁電、光電、聲電等幾種隔離方式均為利用各種物理量與電量之間可以相互轉換來完成的。不管那種隔離方式，在電磁兼容性方面的實質是人為地造成電的隔離，以阻止電路性耦合產生的電磁幹擾。