电磁兼容中的 隔离

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1、电磁兼容中的 隔离技术 电源供求网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 扰对电源供求网象。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 、强电源供求网电流、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 技电源供求网术分为磁电、光电、机电、声电 和浮地等几种隔离方式加以叙述 。 2 磁

2、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 或电源供求网多个绕组组成。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 上是电源供求网互相隔离的。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 为电源供求网零；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 E 1 =4.44 fN 1 m （1） E 1 / E 2 = U 1 / U 2 =

3、N 1 / N 2 = n （2） 式中： E 1 变压器 原电源供求网边的感应电势； E 2 变压器 副边的感应电势； U 1 变压 器原边的电压； U 2 变压器 副边的电压； N 1 变压器原 边绕组的匝数； N 2 变压器电源供求网副边绕组的匝数； f 变压器 原边电压的频率； m 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 I 1 / I 2 = N 2 / N 1 =1/ 电源供求网n （3） 式中： I 1 变压器原 边的电流； I 2 变压器副边 的电流。 2.2.3 功率关系 P 1 = P 2 = U 1 I 1 = U 2 I 2 （

4、4） 式中 ： P 1 变压器原边的输入功 率；电源供求网P 2 变压器副边的输出功率 。 2.2.4 阻抗关系 副边的阻抗为 ： Z 2 = U 2 / I 2 （5） 原边的 阻抗为： Z 1 = 电源供求网U 1 / I 1 = n 2 U 2 / I 2 = n 2 Z 2 （6） 式中： Z 1 变压器原 边的阻抗； Z 2 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 心的电源供求网导磁率并非无穷大，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 降低电源供求

5、网。 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 压电源供求网器烧毁。 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 。由电源供求网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 ，电源供求网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，

6、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 当电源供求网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， 应电源供求网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 器原边的电源供求网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 过这电源供求网一新的分布电容引回

7、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 水电源供求网平包括工作电压、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 与频电源供求网率密切相关。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 电源供求网2.4.1 普通变压器 普通变压器在 工频场合只作为一

8、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，可以在电源供求网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 型电源供求网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

9、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、 分布电电源供求网容以及匝比等。 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

10、入而实现电的隔离。霍尔传感器 具有精度高、电源供求网线性度好、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。 电源供求网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

11、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 内电场作电源供求网用下形成光电流。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。 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。 电源供求网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

12、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，它不受外部光的影电源供求网响；光电耦合器的隔离电阻很大 （约10 12 ）、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。 电源供求网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 电源供求网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

13、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。电源供求网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，电弧熄电源供求网灭，触点间电压又升高，电弧

14、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 电源供求网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： 电源供求网R 2（ L / C ） 1/2 （7） C 1 =4 L / R 2 （8） C 2 =（ I m /300） 2 L （9） 式中： R 电阻（）； L 负载电感（H）； I m 负载电感中的最大电流（A ）； C 取 C 1 、 C 2 中大者。 4.2.3 电感负载的续流电路 电源供求网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： I F 2 I N （10） U RR