大功率电子电气设备的电路隔离技术.docx

大功率电子电气设备的电路隔离技术1 引言电路隔离的主要目的是通过隔离元器件把噪声干扰的路径切断，从而达到抑制噪声干扰 的效果在采用了电路隔离的措施以后，绝大多数电路都能够取得良好的抑制噪声的效果， 使设备符合电磁兼容性的要求电路隔离主要有：模拟电路的隔离、数字电路的隔离、数字 电路与模拟电路之间的隔离所使用的隔离方法有：变压器隔离法、脉冲变压器隔离法、继 电器隔离法、光电耦合器隔离法、直流电压隔离法、线性隔离放大器隔离法、光纤隔离法、 A/D 转换器隔离法等数字电路的隔离主要有：脉冲变压器隔离、继电器隔离、光电耦合器隔离、光纤隔离等 其中数字量输入隔离方式主要采用脉冲变压器隔离、光电耦合器隔离；而数字量输出隔离方 式主要采用光电耦合器隔离、继电器隔离、高频变压器隔离（个别情况下采用）模拟电路的隔离比较复杂，主要取决于对传输通道的精度要求，对精度要求越高，其通 道的成本也就越高；然而，当性能的要求上升为主要矛盾时，应当以性能为主选择隔离元器 件，把成本放在第二位；反之，应当从价格的角度出发选择隔离元器件模拟电路的隔离主 要采用变压器隔离、互感器隔离、直流电压隔离器隔离、线性隔离放大器隔离。

模拟电路与数字电路之间的隔离主要采用模/数转换装置；对于要求较高的电路，除采用模/数转换装置外，还应在模/数转换装置的两端分别加入模拟隔离元器件和数字隔离元器件2 模拟电路的隔离一套控制装置或者一台电子电气设备，通常包含供电系统，模拟信号测量系统，模拟信 号控制系统而供电系统又可分为交流供电系统和直流供电系统，交流供电系统主要采用变 压器隔离，直流供电系统主要采用直流电压隔离器隔离模拟信号测量系统相对来说比较复 杂，既要考虑其精度，频带宽度的因素，又要考虑其价格因素；对于高电压、大电流信号， 一般采用互感器（电压互感器、电流互感器）隔离法，近年来，又出现了霍尔变送器，这些 元器件都是高电压、大电流信号测量常规使用的元器件；对于微电压、微电流信号，一般采 用线性隔离放大器模拟信号控制系统与模拟信号测量系统的隔离类似，一般采用变压器、 直流电压隔离器2.1 供电系统的隔离2.1.1 交流供电系统的隔离 由于交流电网中存在着大量的谐波，雷击浪涌，高频干扰等噪声，所以对由交流电源供 电的控制装置和电子电气设备，都应采取抑制来自交流电源干扰的措施采用电源隔离变压 器，可以有效地抑制窜入交流电源中的噪声干扰。

但是，普通变压器却不能完全起到抗干扰 的作用，这是因为，虽然一次绕组和二次绕组之间是绝缘的，能够阻止一次侧的噪声电压、 电流直接传输到二次侧，有隔离作用然而，由于分布电容（绕组与铁心之间，绕组之间， 层匝之间和引线之间）的存在，交流电网中的噪声会通过分布电容耦合到二次侧为了抑制 噪声，必须在绕组间加屏蔽层，这样就能有效地抑制噪声，消除干扰，提高设备的电磁兼容 性图1 （a）、（b）所示为不加屏蔽层和加屏蔽层的隔离变压器分布电容的情况图 1 变压器隔离在图1 （a）中，隔离变压器不加屏蔽层，C12是一次绕组和二次绕组之间的分布电容, 在共模电压ulC的作用下,二次绕组所耦合的共模噪声电压为u2C,C2E是二次侧的对地电容， 则从图可知二次侧的共模噪声电压u2C为：u2C=ulCCl2/(Cl2＋C2E)在图1 (b)中，隔离变压器加屏蔽层，其中CIO、C20分别代表一次绕组和二次绕组对 屏蔽层的分布电容，ZE是屏蔽层的对地阻抗，C2E是二次绕侧的对地电容，则从图可知二次 侧的共模噪声电压u2C为：u2C=〔u1CZE/(ZE＋1/jωC1O)〕〔C2E/(C2O＋C2E)〕由于C2是屏蔽层的对地阻抗，在低频范围内，ZE《(1/jωC10),所以u2C→O。

由此可见，采取屏蔽措施后，通过隔离变压器的共模噪声电压被大大地削弱了随着技术的进步， 国外已研制成功了专门抑制噪声 的 隔 离 变压器(NoiseCu tout Transformer，简称NCT)，这是一种绕组和变压器整体都有屏蔽层的多层屏蔽 变压器这类变压器的结构，铁心材料，形状及其线圈位置都比较特殊，它可以切断高频噪 声漏磁通和绕组的交链，从而使差模噪声不易感应到二次侧，故这种变压器既能切断共模噪 声电压，又能切断差模噪声电压，是比较理想的隔离变压器2.1.2 直流供电系统的隔离当控制装置和电子电气设备的内部子系统之间需要相互隔离时，它们各自的直流供电电 源间也应该相互隔离，其隔离方式如下：第一种是在交流侧使用隔离变压器，；第二种是使用 直流电压隔离器(即DC/DC变换器)，a)交流侧隔离(b)直流隔离图2 直流电源系统的隔离1 引言电路隔离的主要目的是通过隔离元器件把噪声干扰的路径切断，从而达到抑制噪声干扰 的效果在采用了电路隔离的措施以后，绝大多数电路都能够取得良好的抑制噪声的效果， 使设备符合电磁兼容性的要求电路隔离主要有：模拟电路的隔离、数字电路的隔离、数字 电路与模拟电路之间的隔离。

所使用的隔离方法有：变压器隔离法、脉冲变压器隔离法、继 电器隔离法、光电耦合器隔离法、直流电压隔离法、线性隔离放大器隔离法、光纤隔离法、 A/D 转换器隔离法等数字电路的隔离主要有：脉冲变压器隔离、继电器隔离、光电耦合器隔离、光纤隔离等 其中数字量输入隔离方式主要采用脉冲变压器隔离、光电耦合器隔离；而数字量输出隔离方 式主要采用光电耦合器隔离、继电器隔离、高频变压器隔离(个别情况下采用)模拟电路的隔离比较复杂，主要取决于对传输通道的精度要求，对精度要求越高，其通 道的成本也就越高；然而，当性能的要求上升为主要矛盾时，应当以性能为主选择隔离元器 件，把成本放在第二位；反之，应当从价格的角度出发选择隔离元器件模拟电路的隔离主 要采用变压器隔离、互感器隔离、直流电压隔离器隔离、线性隔离放大器隔离模拟电路与数字电路之间的隔离主要采用模/数转换装置；对于要求较高的电路，除采用 模/数转换装置外，还应在模/数转换装置的两端分别加入模拟隔离元器件和数字隔离元器件2 模拟电路的隔离一套控制装置或者一台电子电气设备，通常包含供电系统，模拟信号测量系统，模拟信 号控制系统而供电系统又可分为交流供电系统和直流供电系统，交流供电系统主要采用变 压器隔离，直流供电系统主要采用直流电压隔离器隔离。

模拟信号测量系统相对来说比较复 杂，既要考虑其精度，频带宽度的因素，又要考虑其价格因素；对于高电压、大电流信号， 一般采用互感器（电压互感器、电流互感器）隔离法，近年来，又出现了霍尔变送器，这些 元器件都是高电压、大电流信号测量常规使用的元器件；对于微电压、微电流信号，一般采 用线性隔离放大器模拟信号控制系统与模拟信号测量系统的隔离类似，一般采用变压器、 直流电压隔离器2.1 供电系统的隔离2.1.1 交流供电系统的隔离由于交流电网中存在着大量的谐波，雷击浪涌，高频干扰等噪声，所以对由交流电源供 电的控制装置和电子电气设备，都应采取抑制来自交流电源干扰的措施采用电源隔离变压 器，可以有效地抑制窜入交流电源中的噪声干扰但是，普通变压器却不能完全起到抗干扰 的作用，这是因为，虽然一次绕组和二次绕组之间是绝缘的，能够阻止一次侧的噪声电压、 电流直接传输到二次侧，有隔离作用然而，由于分布电容（绕组与铁心之间，绕组之间， 层匝之间和引线之间）的存在，交流电网中的噪声会通过分布电容耦合到二次侧为了抑制 噪声，必须在绕组间加屏蔽层，这样就能有效地抑制噪声，消除干扰，提高设备的电磁兼容 性图1 （a）、（b）所示为不加屏蔽层和加屏蔽层的隔离变压器分布电容的情况。

图 1 变压器隔离在图1 （a）中，隔离变压器不加屏蔽层，C12是一次绕组和二次绕组之间的分布电容， 在共模电压U1C的作用下,二次绕组所耦合的共模噪声电压为u2C,C2E是二次侧的对地电容， 则从图可知二次侧的共模噪声电压u2C为：u2C=u1CC12/（C12＋C2E）在图1 （b）中，隔离变压器加屏蔽层，其中C10、C20分别代表一次绕组和二次绕组对 屏蔽层的分布电容，ZE是屏蔽层的对地阻抗，C2E是二次绕侧的对地电容，则从图可知二次 侧的共模噪声电压u2C为：u2C=〔u1CZE/（ZE＋1/jωC10）〕〔C2E/（C20＋C2E）〕由于C2是屏蔽层的对地阻抗，在低频范围内，ZE《（1/jωC10）,所以u2C→O 由此可见，采取屏蔽措施后，通过隔离变压器的共模噪声电压被大大地削弱了随着技术的进步， 国外已研制成功了专门抑制噪声的隔离变压器 （NoiseCu tout Transformer，简称NCT），这是一种绕组和变压器整体都有屏蔽层的多层屏蔽 变压器这类变压器的结构，铁心材料，形状及其线圈位置都比较特殊，它可以切断高频噪 声漏磁通和绕组的交链，从而使差模噪声不易感应到二次侧，故这种变压器既能切断共模噪 声电压，又能切断差模噪声电压，是比较理想的隔离变压器。

2.1.2 直流供电系统的隔离当控制装置和电子电气设备的内部子系统之间需要相互隔离时，它们各自的直流供电电 源间也应该相互隔离，其隔离方式如下：第一种是在交流侧使用隔离变压器，；第二种是使用 直流电压隔离器（即DC/DC变换器），a）交流侧隔离(b)直流隔离图 2 直流电源系统的隔离2.2 模拟信号测量系统的隔离 对于具有直流分量和共模噪声干扰比较严重的场合，在模拟信号的测量中必须采取措施， 使输入与输出完全隔离，彼此绝缘，消除噪声的耦合隔离对系统有如下好处：— —防止模拟系统干扰，尤其是电力系统的接地干扰进入逻辑系统，导致逻 辑系统的工作紊乱；— —在精密测量系统中，防止数字系统的脉冲波动干扰进入模拟系统，尤其 是前置放大部分，因为前置放大部分的信号非常微弱，较小的骚扰波动信号就会把有用信号 淹没2.2.1 高电压、大电流信号的隔离 高电压、大电流信号采用互感器隔离，其抑制噪声的原理与隔离变压器类似，这里不再 赘述互感器隔离的应用2.2.2 微电压、微电流信号的隔离微电压、微电流模拟信号的隔离系统相对来说比较复杂，既要考虑其精度，频带宽度的 因素，又要考虑其价格因素。

一般情况下，对于较小量的共模噪声，采用差动放大器或仪表 放大器就能够取得良好的效果，但对于具有较大量的共模噪声，且测量精度要求比较高的场 合，应该选择高精度线性隔离放大器，如BB公司的IS0106，其主要参数如下：——交流耐压 3 5kV/lmin, 60Hz；—— 直流耐压 4 95kV；— —冲击耐压 8kVPK/10s；——非线性误差 0.007%；——隔离噪声抑制比交流130dB，直流160dBISO106的优秀参数，使其大量地应用于精密测量系统中，线性隔离放大器的应用2.3 模拟信号控制系统的隔离 如前所述，模拟信号控制系统的隔离与模拟信号测量系统的隔离类似，即交流信号一般 采用变压器隔离，直流信号一般采用直流电压隔离器或线性隔离器隔离3 数字电路的隔离与模拟系统类似，一套控制装置，或者一台电子电气设备，通常所包含的数字系统有： 数字信号输入系统，数字信号输出系统数字量输入系统主要采用脉冲变压器隔离，光电耦 合器隔离；而数字量输出系统主要采用光电耦合器隔离，继电器隔离，个别情况也可采用高 频变压器隔离。

3.1 光电耦合器隔离这种隔离方法是用光电耦合器把输入信号与内部电路隔离开来，或者是把内部输出信号 与外部电路隔离开来，目前，大多数光电耦合器件的隔离电压都在2。