EMC中的隔離技術(shù)

　　1 引言

　　電力電子設(shè)備包括兩部分，即變換部分與控制部分。前者屬于功率流強(qiáng)電范疇，后者屬于信息流弱電范疇。一般情況下前者是主電磁干擾源，后者是被干擾對(duì)象。為了使電力電子設(shè)備可靠地運(yùn)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干擾的問(wèn)題，特別是當(dāng)變換部分處于高電壓、強(qiáng)電流、高頻變換情況下尤其重要?？垢蓴_問(wèn)題實(shí)質(zhì)上是解決電力電子設(shè)備的電磁兼容問(wèn)題。

　　隔離技術(shù)是電磁兼容性中的重要技術(shù)之一。下面將電磁兼容中的隔離技術(shù)分為磁電、光電、機(jī)電、聲電和浮地等幾種隔離方式加以敘述。

　　2 磁電隔離技術(shù)

　　2.1 利用變壓器實(shí)現(xiàn)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(gè)或多個(gè)繞組組成。當(dāng)在一個(gè)繞組上加上交變電壓時(shí)，由于電磁感應(yīng)而在其它繞組上感生交變電壓。因此變壓器的幾個(gè)繞組之間是通過(guò)交變磁場(chǎng)互相聯(lián)系的，在電路上是互相隔離的。其隔離的介電強(qiáng)度取決于幾個(gè)繞組之間以及它們對(duì)地的絕緣強(qiáng)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(dǎo)磁率為無(wú)窮大。

　　2.2.1 電壓關(guān)系

　　E1=4.44fN1Φm (1)

　　E1/E2=U1/U2=N1/N2=n (2)

　　式中：E1——變壓器原邊的感應(yīng)電勢(shì);

　　E2——變壓器副邊的感應(yīng)電勢(shì);

　　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(shù);

　　N2——變壓器副邊繞組的匝數(shù);

　　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(shù)比。

　　2.2.2 電流關(guān)系

　　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(guān)系

　　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(guān)系

　　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(shí)際變壓器

　　2.3.1 鐵心的導(dǎo)磁率

　　由于實(shí)際變壓器鐵心的導(dǎo)磁率并非無(wú)窮大，所以變壓器在空載時(shí)就存在激磁電流。如果鐵心材料的性能不好，則激磁電流占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。

　　由于實(shí)際變壓器鐵心的導(dǎo)磁率并非常數(shù)，因此將導(dǎo)致輸出波形的畸變。特別是當(dāng)鐵心飽和時(shí)，鐵心的導(dǎo)磁率極大地降低，引起激磁電流急速增加，可能導(dǎo)致變壓器燒毀。

　　2.3.2 鐵心存在損耗

　　由于實(shí)際變壓器鐵心存在渦流損耗和磁滯損耗，這些損耗不僅導(dǎo)致變壓器的效率降低，而且引起鐵心發(fā)熱、甚至可能導(dǎo)致絕緣損壞。由于鐵心的渦流損耗和磁滯損耗都與電壓和頻率有關(guān)，所以對(duì)不同的電壓和頻率，應(yīng)當(dāng)選擇不同的鐵心材料。

　　2.3.3 繞組存在電阻

　　由于實(shí)際變壓器的繞組存在電阻，故變壓器工作時(shí)繞組必將產(chǎn)生熱損耗。特別當(dāng)工作頻率較高時(shí)，集膚效應(yīng)將導(dǎo)致繞組電阻增加，使發(fā)熱損耗增大。

　　由于實(shí)際變壓器繞組的散熱條件較差，所以應(yīng)當(dāng)注意變壓器的散熱和繞組導(dǎo)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(duì)變壓器附近的元器件和導(dǎo)線形成干擾，為此，在選用變壓器作隔離時(shí)，應(yīng)當(dāng)選擇漏磁小的變壓器，否則，應(yīng)對(duì)變壓器加強(qiáng)磁場(chǎng)屏蔽。

　　2.3.5 變壓器原、副邊間存在寄生電容

　　由于電源變壓器原、副邊間存在寄生電容，進(jìn)入電源變壓器原邊的高頻干擾能通過(guò)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后，該屏蔽與繞組間形成新的分布電容，當(dāng)將屏蔽接地后，可以將高頻干擾通過(guò)這一新的分布電容引回地，而起到抗電磁干擾的作用。

　　2.3.6 幾個(gè)繞組之間以及對(duì)地的絕緣強(qiáng)度

　　繞組之間以及對(duì)地的絕緣強(qiáng)度取決于需要隔離的耐壓水平。該耐壓水平包括工作電壓、電壓波動(dòng)、可能的瞬態(tài)過(guò)電壓以及為可靠工作而留有的余量。

　　2.3.7 工作頻率

　　工作頻率不僅對(duì)變壓器的鐵心損耗產(chǎn)生影響，而且變壓器的阻抗與頻率密切相關(guān)。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。

　　由于磁電隔離是通過(guò)變壓器而實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)變壓器繞組間寄生電容較大時(shí)，應(yīng)當(dāng)與屏蔽和接地技術(shù)相配合。

　　2.4 變壓器的種類和應(yīng)用

　　2.4.1 普通變壓器

　　普通變壓器在工頻場(chǎng)合只作為一般電源變壓器用，將某一等級(jí)的電壓和電流轉(zhuǎn)變成另一等級(jí)的電壓和電流，由于沒(méi)有采用任何特殊措施，對(duì)高頻的電路隔離效果較差。

　　2.4.2 隔離變壓器

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

　　圖1 單屏蔽層隔離變壓器的典型對(duì)干擾的衰減能力

　　如果在上述基礎(chǔ)上，再對(duì)變壓器的每個(gè)繞組都分別增加一層屏蔽，并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(huì)更好。

　　2.4.3 脈沖變壓器

　　在電力電子設(shè)備中，脈沖變壓器多用于晶閘管觸發(fā)電路、間歇振蕩器和脈沖放大器的級(jí)間耦合。脈沖變壓器的主要參數(shù)為有效脈沖導(dǎo)磁率、起始導(dǎo)磁率、漏感、分布電容以及匝比等。

　　2.4.4 測(cè)量變壓器

　　一般測(cè)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(qiáng)電的電壓或電流隔離并轉(zhuǎn)換為弱電的電壓或電流。測(cè)量變壓器的主要參數(shù)為絕緣電壓、電壓(或電流)的轉(zhuǎn)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(yīng)進(jìn)行電磁測(cè)量的器件，由于磁場(chǎng)的介入而實(shí)現(xiàn)電的隔離。霍爾傳感器具有精度高、線性度好、動(dòng)態(tài)性能好、頻率響應(yīng)寬和壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

　　3 光電隔離技術(shù)

　　3.1 光電耦合器

　　光電隔離采用光電耦合器來(lái)實(shí)現(xiàn)，即通過(guò)半導(dǎo)體發(fā)光二極管(LED)的光發(fā)射和光敏半導(dǎo)體(光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管、光敏晶閘管等)的光接收，來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳遞。由于發(fā)光二極管和光敏半導(dǎo)體是互相絕緣的，從而實(shí)現(xiàn)了電路的隔離。

　　當(dāng)給發(fā)光二極管加以正向電壓時(shí)，由于空間電荷區(qū)勢(shì)壘下降，P區(qū)空穴注入到N區(qū)，產(chǎn)生電子與空穴的復(fù)合，復(fù)合時(shí)放出大部分為光形式的能量。給發(fā)光二極管加的正向電壓越高，復(fù)合時(shí)放出的光通量越大。當(dāng)然，給發(fā)光二極管加的正向電壓受其最大允許電流的限制。

　　當(dāng)光敏半導(dǎo)體，比如光敏二極管，受到光照射時(shí)，在PN結(jié)附近產(chǎn)生的光生電子-空穴對(duì)在PN結(jié)的內(nèi)電場(chǎng)作用下形成光電流。光的照度越強(qiáng)，光電流就越大。當(dāng)光敏半導(dǎo)體沒(méi)受到光照射時(shí)，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(fā)光二極管的輸入電流和光敏半導(dǎo)體的輸出電流的函數(shù)關(guān)系來(lái)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(shù)進(jìn)行校正。

　　3.3 光電耦合器的應(yīng)用

　　由于光電耦合器的輸入阻抗與一般干擾源的阻抗相比較小，因此分壓在光電耦合器的輸入端的干擾電壓較小，它所能提供的電流并不大，不易使半導(dǎo)體二極管發(fā)光;由于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(gè)pF)所以能阻止電路性耦合產(chǎn)生的電磁干擾。光電耦合器的隔離阻抗隨著頻率的提高而降低，抗干擾效果也將降低。

　　3.4 紅外遙控

　　紅外遙控在本質(zhì)上屬于光電耦合，只不過(guò)其發(fā)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(zhì)上也屬于光電耦合，其發(fā)光器件和光接收器件是通過(guò)光纜連接的，由于外界干擾很難進(jìn)入光纜，因此光纜的隔離效果最好。

　　4 機(jī)電隔離技術(shù)

　　4.1 有觸點(diǎn)電磁繼電器

　　機(jī)電隔離一般采用有觸點(diǎn)電磁繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)，即電磁繼電器的線圈接收信號(hào)，機(jī)械觸點(diǎn)發(fā)送信號(hào)。由于機(jī)械觸點(diǎn)分?jǐn)鄷r(shí)，阻抗很大，電容很小，從而阻止了電路性耦合產(chǎn)生的電磁干擾的傳輸。但是繼電器的線圈工作頻率較低，不適用于工作頻率較高的場(chǎng)合，另外還存在觸點(diǎn)通斷時(shí)的彈跳和火花干擾以及接觸電阻等缺點(diǎn)。

　　4.2 應(yīng)用有觸點(diǎn)電磁繼電器的注意事項(xiàng)

　　4.2.1 機(jī)械觸點(diǎn)的電磁干擾

　　在機(jī)械觸點(diǎn)分?jǐn)嘈盘?hào)電流的過(guò)程中，由于電路電感的存在將會(huì)在觸點(diǎn)間感生過(guò)電壓，這個(gè)過(guò)電壓可能會(huì)導(dǎo)致觸點(diǎn)間隙擊穿而產(chǎn)生電弧;當(dāng)觸點(diǎn)間隙加大時(shí)，電弧熄滅，觸點(diǎn)間電壓又升高，電弧又重燃;如此重復(fù)，直到觸點(diǎn)間距足夠大電流中斷時(shí)為止。

　　上述過(guò)程中，產(chǎn)生的電弧和峰值大、頻率高的電壓脈沖串將通過(guò)輻射和傳導(dǎo)對(duì)其它電路和器件形成強(qiáng)烈的干擾。

　　4.2.2 機(jī)械觸點(diǎn)的熄火花電路

　　機(jī)械觸點(diǎn)的熄火花電路由電阻R和電容C串聯(lián)組成。其原理是用電容轉(zhuǎn)換觸點(diǎn)分?jǐn)鄷r(shí)負(fù)載電感L上的能量，從而避免在觸點(diǎn)上產(chǎn)生過(guò)電壓和電弧造成的電磁干擾，最終由電阻吸收這部分能量。

　　電路參數(shù)計(jì)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(fù)載電感(μH);

　　Im——負(fù)載電感中的最大電流(A);

　　C取C1、C2中大者。

　　4.2.3 電感負(fù)載的續(xù)流電路

　　直流電路電感負(fù)載的續(xù)流電路是用二極管反并聯(lián)在電感負(fù)載上。當(dāng)切斷電感負(fù)載時(shí)，其上的電流經(jīng)二極管續(xù)流，不會(huì)產(chǎn)生過(guò)電壓而危及電路上的其它器件。

　　參數(shù)選擇如下：

　　IF>2IN (10)

　　URRM>2UN (11)

　　式中：IF——二極管正向平均電流;

　　URRM——二極管反向重復(fù)峰值電壓;

　　IN——電感負(fù)載的額定電流;

　　UN——電感負(fù)載的額定電壓。

　　如果用壓敏電阻代替二極管，其效果會(huì)更好。因?yàn)閴好綦娮栉漳芰扛?，從而減小了動(dòng)作響應(yīng)時(shí)間。

　　5 聲電隔離技術(shù)

　　5.1 聲表面波濾波器

　　聲表面波器件采用具有壓電效應(yīng)的固體材料作基片，在基片上的兩端分別設(shè)有指叉交錯(cuò)的金屬換能器。把交變電信號(hào)加到發(fā)射換能器上，由于逆壓電效應(yīng)，壓電體表面產(chǎn)生變化的應(yīng)變，就能激發(fā)出聲表面波。當(dāng)聲表面波在固體表面?zhèn)鞑サ浇邮論Q能器上時(shí)，由于正壓電效應(yīng)，而在接收換能器上就會(huì)得到電信號(hào)。由于兩個(gè)指叉交錯(cuò)的金屬換能器在電氣上是無(wú)聯(lián)系的，因而實(shí)現(xiàn)了電路的隔離。

　　由于指叉換能器具有一個(gè)固有的中心頻率，當(dāng)電信號(hào)與該中心頻率一致時(shí)，產(chǎn)生共振，而發(fā)出最強(qiáng)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(yīng)用

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

　　6 浮地技術(shù)

　　6.1 浮地

　　浮地，即該電路的地與大地?zé)o導(dǎo)體連接。其優(yōu)點(diǎn)是該電路不受大地電性能的影響。其缺點(diǎn)是該電路易受寄生電容的影響，而使該電路的地電位變動(dòng)和增加了對(duì)模擬電路的感應(yīng)干擾。

　　浮地可使功率地(強(qiáng)電地)和信號(hào)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(chǎn)生的電磁干擾。

　　6.2 浮地技術(shù)的應(yīng)用

　　6.6.2 交流電源地與直流電源地分開(kāi)

　　一般交流電源的零線是接地的。但由于存在接地電阻和其上流過(guò)的電流，導(dǎo)致電源的零線電位并非為大地的零電位。另外，交流電源的零線上往往存在很多干擾，如果交流電源地與直流電源地不分開(kāi)，將對(duì)直流電源和后續(xù)的直流電路正常工作產(chǎn)生影響。因此，采用把交流電源地與直流電源地分開(kāi)的浮地技術(shù)，可以隔離來(lái)自交流電源地線的干擾。

　　6.6.2 放大器的浮地技術(shù)

　　對(duì)于放大器而言，特別是微小輸入信號(hào)和高增益的放大器，在輸入端的任何微小的干擾信號(hào)都可能導(dǎo)致工作異常。因此，采用放大器的浮地技術(shù)，可以阻斷干擾信號(hào)的進(jìn)入，提高放大器的電磁兼容能力。

　　6.3 浮地技術(shù)的注意事項(xiàng)

　　1)盡量提高浮地系統(tǒng)的對(duì)地絕緣電阻，從而有利于降低進(jìn)入浮地系統(tǒng)之中的共模干擾電流。

　　2)注意浮地系統(tǒng)對(duì)地存在的寄生電容，高頻干擾信號(hào)通過(guò)寄生電容仍然可能耦合到浮地系統(tǒng)之中。

　　3)浮地技術(shù)必須與屏蔽、隔離等電磁兼容性技術(shù)相互結(jié)合應(yīng)用，才能收到更好的預(yù)期效果。

　　4)采用浮地技術(shù)時(shí)，應(yīng)當(dāng)注意靜電和電壓反擊對(duì)設(shè)備和人身的危害。

　　7 結(jié)語(yǔ)

　　采用電磁兼容中的隔離技術(shù)的主要目的是：為了電力電子設(shè)備的可靠運(yùn)行而將干擾源部分和敏感部分隔離開(kāi)。電磁兼容中的隔離技術(shù)主要可分為機(jī)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(zhuǎn)換來(lái)完成的。不管那種隔離方式，在電磁兼容性方面的實(shí)質(zhì)是人為地造成電的隔離，以阻止電路性耦合產(chǎn)生的電磁干擾。