电磁兼容中的隔离技术

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

E 1 =4.44 fN 1 Φ m （1）

E 1 / E 2 = U 1 / U 2 = N 1 / N 2 = n （2）

式中： E 1 ——变压器原边的感应电势；

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 ——变压器副边绕组的匝数；

f ——变压器原边电压的频率；

Φ 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/ 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）

式中： P 1 ——变压器原边的输入功率；

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 = 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。
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