EMC中的隔离技术

古莘 · 发表于 2015-6-22 09:58

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电力电子设备包括两部分，即变换部分与控制部分。前者属于功率流强电范畴，后者属于信息流弱电范畴。一般情况下前者是主电磁干扰源，后者是被干扰对象。为了使电力电子设备可靠地运行，除了解决变换部分与控制部分之间的电气隔离外，还要解决控制部分的抗电磁干扰的问题，特别是当变换部分处于高电压、强电流、高频变换情况下尤其重要。抗干扰问题实质上是解决电力电子设备的电磁兼容问题。　　隔离技术是电磁兼容性中的重要技术之一。下面将电磁兼容中的隔离技术分为磁电、光电、机电、声电和浮地等几种隔离方式加以叙述。
　　2 磁电隔离技术
　　2.1 利用变压器实现磁电隔离的基本原理
　　变压器主要由绕在共同铁心上的两个或多个绕组组成。当在一个绕组上加上交变电压时，由于电磁感应而在其它绕组上感生交变电压。因此变压器的几个绕组之间是通过交变磁场互相联系的，在电路上是互相隔离的。其隔离的介电强度取决于几个绕组之间以及它们对地的绝缘强度。
　　2.2 理想变压器的特性
　　理想变压器是假定变压器绕组的电阻为零;变压器的漏磁为零;铁心的损耗为零以及铁心的导磁率为无穷大。
　　2.2.1 电压关系
　　E1=4.44fN1Φm (1)
　　E1/E2=U1/U2=N1/N2=n (2)
　　式中：E1——变压器原边的感应电势;
　　E2——变压器副边的感应电势;
　　U1——变压器原边的电压;
　　U2——变压器副边的电压;
　　N1——变压器原边绕组的匝数;
　　N2——变压器副边绕组的匝数;
　　f——变压器原边电压的频率;
　　Φm——变压器铁心中磁通的峰值;
　　n——变压器原副边绕组的匝数比。
　　2.2.2 电流关系
　　I1/I2=N2/N1=1/n (3)
　　式中：I1——变压器原边的电流;
　　I2——变压器副边的电流。
　　2.2.3 功率关系
　　P1=P2=U1I1=U2I2 (4)
　　式中：P1——变压器原边的输入功率;
　　P2——变压器副边的输出功率。
　　2.2.4 阻抗关系
　　副边的阻抗为：
　　Z2=U2/I2 (5)
　　原边的阻抗为：
　　Z1=U1/I1=n2U2/I2=n2Z2 (6)
　　式中：Z1——变压器原边的阻抗;
　　Z2——变压器副边的阻抗。
　　2.3 实际变压器
　　2.3.1 铁心的导磁率
　　由于实际变压器铁心的导磁率并非无穷大，所以变压器在空载时就存在激磁电流。如果铁心材料的性能不好，则激磁电流占变压器原边输入电流的比例将增大，变压器副边输出电流将降低。
　　由于实际变压器铁心的导磁率并非常数，因此将导致输出波形的畸变。特别是当铁心饱和时，铁心的导磁率极大地降低，引起激磁电流急速增加，可能导致变压器烧毁。
　　2.3.2 铁心存在损耗
　　由于实际变压器铁心存在涡流损耗和磁滞损耗，这些损耗不仅导致变压器的效率降低，而且引起铁心发热、甚至可能导致绝缘损坏。由于铁心的涡流损耗和磁滞损耗都与电压和频率有关，所以对不同的电压和频率，应当选择不同的铁心材料。
　　2.3.3 绕组存在电阻
　　由于实际变压器的绕组存在电阻，故变压器工作时绕组必将产生热损耗。特别当工作频率较高时，集肤效应将导致绕组电阻增加，使发热损耗增大。
　　由于实际变压器绕组的散热条件较差，所以应当注意变压器的散热和绕组导线电流密度的选取。
　　2.3.4 变压器存在漏磁
　　变压器的漏磁易对变压器附近的元器件和导线形成干扰，为此，在选用变压器作隔离时，应当选择漏磁小的变压器，否则，应对变压器加强磁场屏蔽。
　　2.3.5 变压器原、副边间存在寄生电容
　　由于电源变压器原、副边间存在寄生电容，进入电源变压器原边的高频干扰能通过寄生电容耦合到的副边。而在电源变压器原、副边间增加静电屏蔽后，该屏蔽与绕组间形成新的分布电容，当将屏蔽接地后，可以将高频干扰通过这一新的分布电容引回地，而起到抗电磁干扰的作用。
　　2.3.6 几个绕组之间以及对地的绝缘强度
　　绕组之间以及对地的绝缘强度取决于需要隔离的耐压水平。该耐压水平包括工作电压、电压波动、可能的瞬态过电压以及为可靠工作而留有的余量。
　　2.3.7 工作频率
　　工作频率不仅对变压器的铁心损耗产生影响，而且变压器的阻抗与频率密切相关。比如：电感L的阻抗与频率成正比，而电容C的阻抗与频率成反比。
　　由于磁电隔离是通过变压器而实现的，当变压器绕组间寄生电容较大时，应当与屏蔽和接地技术相配合。
　　2.4 变压器的种类和应用
　　2.4.1 普通变压器
　　普通变压器在工频场合只作为一般电源变压器用，将某一等级的电压和电流转变成另一等级的电压和电流，由于没有采用任何特殊措施，对高频的电路隔离效果较差。
　　2.4.2 隔离变压器
　　由于普通变压器绕组间的寄生电容较大(未加屏蔽层为nF级，加屏蔽为pF级)，为了提高对高频干扰的隔离效果，可以在普通变压器绕组间增加一层屏蔽，并将该层屏蔽接地(接地线的长度应尽量短，否则因接地线的阻抗分压而使对干扰的衰减变差)而成为隔离变压器。图1为典型单屏蔽层隔离变压器的对干扰的衰减。
　　

　　图1 单屏蔽层隔离变压器的典型对干扰的衰减能力

　　如果在上述基础上，再对变压器的每个绕组都分别增加一层屏蔽，并将各绕组的屏蔽分别接到各绕组的低电位上，其隔离效果会更好。
　　2.4.3 脉冲变压器
　　在电力电子设备中，脉冲变压器多用于晶闸管触发电路、间歇振荡器和脉冲放大器的级间耦合。脉冲变压器的主要参数为有效脉冲导磁率、起始导磁率、漏感、分布电容以及匝比等。
　　2.4.4 测量变压器
　　一般测量用的变压器是指电压互感器和电流互感器。电压互感器或电流互感器将强电的电压或电流隔离并转换为弱电的电压或电流。测量变压器的主要参数为绝缘电压、电压(或电流)的转换比及其精度等。
　　2.5 霍尔传感器
　　霍尔传感器是利用霍尔效应进行电磁测量的器件，由于磁场的介入而实现电的隔离。霍尔传感器具有精度高、线性度好、动态性能好、频率响应宽和寿命长等优点。
　　3 光电隔离技术
　　3.1 光电耦合器
　　光电隔离采用光电耦合器来实现，即通过半导体发光二极管(LED)的光发射和光敏半导体(光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管等)的光接收，来实现信号的传递。由于发光二极管和光敏半导体是互相绝缘的，从而实现了电路的隔离。
　　当给发光二极管加以正向电压时，由于空间电荷区势垒下降，P区空穴注入到N区，产生电子与空穴的复合，复合时放出大部分为光形式的能量。给发光二极管加的正向电压越高，复合时放出的光通量越大。当然，给发光二极管加的正向电压受其最大允许电流的限制。
　　当光敏半导体，比如光敏二极管，受到光照射时，在PN结附近产生的光生电子-空穴对在PN结的内电场作用下形成光电流。光的照度越强，光电流就越大。当光敏半导体没受到光照射时，只有很小的暗电流。
　　3.2 光电耦合器的特性
　　光电耦合器的特性是用发光二极管的输入电流和光敏半导体的输出电流的函数关系来表示的，如图2所示。
　　

　　图2 光电耦合器的特性曲线

　　从光电耦合器的特性曲线可以看出，光电耦合器的线性度较差，可以利用反馈技术进行校正。
　　3.3 光电耦合器的应用
　　由于光电耦合器的输入阻抗与一般干扰源的阻抗相比较小，因此分压在光电耦合器的输入端的干扰电压较小，它所能提供的电流并不大，不易使半导体二极管发光;由于光电耦合器的外壳是密封的，它不受外部光的影响;光电耦合器的隔离电阻很大(约1012Ω)、隔离电容很小(约几个pF)所以能阻止电路性耦合产生的电磁干扰。光电耦合器的隔离阻抗随着频率的提高而降低，抗干扰效果也将降低。
　　3.4 红外遥控
　　红外遥控在本质上属于光电耦合，只不过其发光器件和光接收器件不封装在一起，因此红外遥控的隔离效果更好。
　　3.5 光缆
　　光缆在本质上也属于光电耦合，其发光器件和光接收器件是通过光缆连接的，由于外界干扰很难进入光缆，因此光缆的隔离效果最好。
　　4 机电隔离技术
　　4.1 有触点电磁继电器
　　机电隔离一般采用有触点电磁继电器来实现，即电磁继电器的线圈接收信号，机械触点发送信号。由于机械触点分断时，阻抗很大，电容很小，从而阻止了电路性耦合产生的电磁干扰的传输。但是继电器的线圈工作频率较低，不适用于工作频率较高的场合，另外还存在触点通断时的弹跳和火花干扰以及接触电阻等缺点。
　　4.2 应用有触点电磁继电器的注意事项
　　4.2.1 机械触点的电磁干扰
　　在机械触点分断信号电流的过程中，由于电路电感的存在将会在触点间感生过电压，这个过电压可能会导致触点间隙击穿而产生电弧;当触点间隙加大时，电弧熄灭，触点间电压又升高，电弧又重燃;如此重复，直到触点间距足够大电流中断时为止。
　　上述过程中，产生的电弧和峰值大、频率高的电压脉冲串将通过辐射和传导对其它电路和器件形成强烈的干扰。
　　4.2.2 机械触点的熄火花电路
　　机械触点的熄火花电路由电阻R和电容C串联组成。其原理是用电容转换触点分断时负载电感L上的能量，从而避免在触点上产生过电压和电弧造成的电磁干扰，最终由电阻吸收这部分能量。
　　电路参数计算如下：
　　R>2(L/C)1/2 (7)
　　C1=4L/R2(8)
　　C2=(Im/300)2L(9)
　　式中：R——电阻(Ω);
　　L——负载电感(μH);
　　Im——负载电感中的最大电流(A);
　　C取C1、C2中大者。
　　4.2.3 电感负载的续流电路
　　直流电路电感负载的续流电路是用二极管反并联在电感负载上。当切断电感负载时，其上的电流经二极管续流，不会产生过电压而危及电路上的其它器件。
　　参数选择如下：
　　IF>2IN (10)
　　URRM>2UN (11)
　　式中：IF——二极管正向平均电流;
　　URRM——二极管反向重复峰值电压;
　　IN——电感负载的额定电流;
　　UN——电感负载的额定电压。
　　如果用压敏电阻代替二极管，其效果会更好。因为压敏电阻吸收能量更快，从而减小了动作响应时间。
　　5 声电隔离技术
　　5.1 声表面波滤波器
　　声表面波器件采用具有压电效应的固体材料作基片，在基片上的两端分别设有指叉交错的金属换能器。把交变电信号加到发射换能器上，由于逆压电效应，压电体表面产生变化的应变，就能激发出声表面波。当声表面波在固体表面传播到接收换能器上时，由于正压电效应，而在接收换能器上就会得到电信号。由于两个指叉交错的金属换能器在电气上是无联系的，因而实现了电路的隔离。
　　由于指叉换能器具有一个固有的中心频率，当电信号与该中心频率一致时，产生共振，而发出最强的声表面波。其它频率的声表面波很弱，而被抑制掉。所以声表面波滤波器的隔离效果是很好的。
　　5.2 声表面波滤波器的应用
　　声表面波滤波器目前主要应用在电视和通讯中，作为带通、带阻滤波器、鉴频器和振荡器等等。
　　6 浮地技术
　　6.1 浮地
　　浮地，即该电路的地与大地无导体连接。其优点是该电路不受大地电性能的影响。其缺点是该电路易受寄生电容的影响，而使该电路的地电位变动和增加了对模拟电路的感应干扰。
　　浮地可使功率地(强电地)和信号地(弱电地)之间的隔离电阻很大，所以能阻止共地阻抗电路性耦合产生的电磁干扰。
　　6.2 浮地技术的应用
　　6.6.2 交流电源地与直流电源地分开
　　一般交流电源的零线是接地的。但由于存在接地电阻和其上流过的电流，导致电源的零线电位并非为大地的零电位。另外，交流电源的零线上往往存在很多干扰，如果交流电源地与直流电源地不分开，将对直流电源和后续的直流电路正常工作产生影响。因此，采用把交流电源地与直流电源地分开的浮地技术，可以隔离来自交流电源地线的干扰。
　　6.6.2 放大器的浮地技术
　　对于放大器而言，特别是微小输入信号和高增益的放大器，在输入端的任何微小的干扰信号都可能导致工作异常。因此，采用放大器的浮地技术，可以阻断干扰信号的进入，提高放大器的电磁兼容能力。
　　6.3 浮地技术的注意事项
　　1)尽量提高浮地系统的对地绝缘电阻，从而有利于降低进入浮地系统之中的共模干扰电流。
　　2)注意浮地系统对地存在的寄生电容，高频干扰信号通过寄生电容仍然可能耦合到浮地系统之中。
　　3)浮地技术必须与屏蔽、隔离等电磁兼容性技术相互结合应用，才能收到更好的预期效果。
　　4)采用浮地技术时，应当注意静电和电压反击对设备和人身的危害。
　　7 结语
　　采用电磁兼容中的隔离技术的主要目的是：为了电力电子设备的可靠运行而将干扰源部分和敏感部分隔离开。电磁兼容中的隔离技术主要可分为机电、磁电、光电、声电和浮地等几种隔离方式。其中，磁电、光电、声电等几种隔离方式均为利用各种物理量与电量之间可以相互转换来完成的。不管那种隔离方式，在电磁兼容性方面的实质是人为地造成电的隔离，以阻止电路性耦合产生的电磁干扰。