(整理)EMC中的隔离技术.

EMC中的隔离技术

嘉兆科技

1 引言

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。

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。

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。