電源中的電氣隔離不僅僅是關(guān)乎安全——它更是性能和可靠性的基石。本文將探討隔離屏障的概念以及工作電壓和測試電壓之間的區(qū)別。它還將討論標(biāo)準(zhǔn)為何重要?幫助工程師設(shè)計(jì)出滿足當(dāng)今嚴(yán)苛法規(guī)和應(yīng)用需求的穩(wěn)健系統(tǒng)。

引言

在為任何應(yīng)用(無論是醫(yī)療、電信、工業(yè)還是其他領(lǐng)域)選擇電源時(shí)，工程師必須考慮多種因素。首要任務(wù)是確保電源能夠處理所需的交流和/或直流輸入電壓范圍，并提供必要的輸出功率。其他關(guān)鍵考慮因素包括效率、熱管理、尺寸、法規(guī)符合性、電磁兼容性 (EMC) 和環(huán)境穩(wěn)健性。

一個(gè)常被忽視的方面是適當(dāng)?shù)母綦x。選擇具有合適隔離特性的電源對(duì)于系統(tǒng)的長期可靠性、安全性和標(biāo)準(zhǔn)符合性至關(guān)重要。對(duì)于任務(wù)關(guān)鍵型和安全關(guān)鍵型的安裝，例如工業(yè)、醫(yī)療 和自動(dòng)化應(yīng)用，了解測試電壓和工作電壓之間的區(qū)別對(duì)于做出明智的設(shè)計(jì)決策至關(guān)重要。

什么是隔離屏障?

在電源中，隔離屏障是連接電源的輸入側(cè)(原邊)與為負(fù)載供電的輸出側(cè)(副邊)之間有意設(shè)置的電氣隔離。該屏障可防止電流在兩側(cè)之間直接流動(dòng)，同時(shí)仍允許安全有效地傳輸功率和數(shù)據(jù)。這種隔離通常通過用于功率傳輸?shù)淖儔浩鲗?shí)現(xiàn)，并輔以用于控制信號(hào)反饋的光耦合器或數(shù)字隔離器。

什么是工作電壓和測試電壓?

隔離屏障兩端的“工作電壓”(也稱為“持續(xù)電壓”)是指在正常操作期間兩個(gè)隔離域之間能夠持續(xù)存在的最大電壓差。這個(gè)值對(duì)于確定電源的絕緣要求和安全等級(jí)至關(guān)重要——它取決于系統(tǒng)配置，而不僅僅是輸入電壓。

“介電耐壓強(qiáng)度”(也稱為“測試電壓”)是指絕緣材料(“電介質(zhì)”)在不發(fā)生擊穿的情況下能夠承受的最大電壓。換句話說，它是材料能夠維持隔離而不允許電流通過從而危及安全的閾值?！敖殡姀?qiáng)度測試”(也稱為“高壓測試”或“耐壓測試”)就是基于這一概念。在此測試中，會(huì)在隔離屏障兩端施加一個(gè)高電壓(通常遠(yuǎn)高于工作電壓)。其目的是確認(rèn)絕緣保持完好，沒有擊穿或過量泄漏，證明即使在瞬態(tài)或故障條件下產(chǎn)品也是安全和可靠的。

在介電強(qiáng)度測試期間，高壓會(huì)施加一段規(guī)定的時(shí)間，通常是 1 秒或 60 秒，以驗(yàn)證是否存在泄漏或擊穿。1 秒測試通常用于生產(chǎn)環(huán)境，以防止元件老化，而 60 秒測試則更為嚴(yán)格，通常保留給型式認(rèn)可和認(rèn)證使用。不同的標(biāo)準(zhǔn)定義了工作電壓的各種倍數(shù)、測試持續(xù)時(shí)間，甚至測試波形，以驗(yàn)證絕緣完整性。

隔離的關(guān)鍵考量因素有哪些?

電源的安全性和可靠性需要關(guān)注其電氣特性和物理設(shè)計(jì)。標(biāo)準(zhǔn)對(duì)以下方面提出了要求：

工作電壓(跨越屏障的持續(xù)電壓)

介電耐壓強(qiáng)度(短時(shí)高壓測試)

絕緣類型(基本絕緣、附加絕緣、加強(qiáng)絕緣或雙重絕緣)

電氣間隙 (Clearance distance)

爬電距離 (Creepage distance)

污染等級(jí) (Pollution degree)

過電壓類別 (Overvoltage category - OVC)

海拔高度 (Altitude)

交流 vs 直流輸入(在交流設(shè)計(jì)中，峰值電壓和瞬態(tài)更嚴(yán)重，需要更堅(jiān)固的絕緣和間距)

電氣間隙是指兩個(gè)導(dǎo)電部件之間通過空氣的最短距離，間隙可防止“閃絡(luò)”(通過空氣的電弧)。相比之下，爬電距離是指兩個(gè)導(dǎo)電部件之間沿表面的最短路徑，旨在防止“爬電”(電流沿絕緣材料表面流動(dòng))。所需距離取決于幾個(gè)因素：

工作電壓

過電壓類別

污染等級(jí)

材料組別(絕緣的耐電痕指數(shù))

海拔高度

過電壓類別 (OVC) 代表電源預(yù)期運(yùn)行的電網(wǎng)層級(jí)。更高的類別對(duì)應(yīng)更大的瞬態(tài)電壓峰值，這需要增加間隙和更高的測試電壓來維持安全。以下是這些類別的高級(jí)概述：

CAT I：受保護(hù)的電子電路(電池供電、有限能量的次級(jí)電路)

CAT II：本地設(shè)備(家用電器、便攜式工具)

CAT III：建筑物裝置(配電盤、固定布線)

CAT IV：安裝起點(diǎn)(供電引入線、一次配電)

污染等級(jí) (PD) 描述了在正常操作期間可能積聚在電源絕緣上的導(dǎo)電污染物的量。更高級(jí)別的污染需要增加爬電距離以維持安全隔離。以下是這些類別的高級(jí)概述：

PD 1 (0.1倍)：清潔、干燥(例如，密封電子產(chǎn)品、太空)

PD 2 (1.0倍)：通常不導(dǎo)電，偶爾有冷凝(典型的室內(nèi)環(huán)境)

PD 3 (1.5倍)：導(dǎo)電性污染或濕度(例如，廚房、工廠)

PD 4 (2.5倍)：持續(xù)的導(dǎo)電性污染(有大量鹽霧的戶外、化工廠)

每個(gè)污染等級(jí)都有一個(gè)對(duì)應(yīng)的乘數(shù)，該乘數(shù)應(yīng)用于每千伏工作電壓的基本爬電距離。例如，如果基本爬電距離為 2mm/kV，且電源預(yù)期用于 PD 4 環(huán)境，則要求變?yōu)?2mm × 2.5 = 5mm/kV 工作電壓。此外，必須考慮海拔效應(yīng)。隨著海拔升高，空氣密度降低，這會(huì)降低介電強(qiáng)度并增加電弧風(fēng)險(xiǎn)。IEC 60664-1 等標(biāo)準(zhǔn)對(duì)海拔 2000 米以上的間隙應(yīng)用降額因子。例如，在 5000 米高度，所需的間隙可能需要比海平面增加 50% 或更多。

繁多的標(biāo)準(zhǔn)

有一個(gè)古老的工程笑話：“標(biāo)準(zhǔn)很棒……每個(gè)人都應(yīng)該有一個(gè)。”挑戰(zhàn)在于，許多組織確實(shí)都有自己的標(biāo)準(zhǔn)。在電源隔離方面，存在許多標(biāo)準(zhǔn)，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都有不同的要求。電源絕緣和安全方面一些更常見的標(biāo)準(zhǔn)如下：

IEC 60950-1：IT 和電信設(shè)備(現(xiàn)已被 IEC 62368-1 取代)

IEC 62368-1：音視頻、IT 和電信(替代 IEC 60950-1 的現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn))

IEC 60601-1：醫(yī)療設(shè)備(包括患者/用戶保護(hù))

IEC 61010-1：實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)(側(cè)重于測試和測量設(shè)備)

IEC 60204-1：工業(yè)機(jī)械系統(tǒng)(通常與 IEC 61010 配對(duì)使用)

IEC 62109-1/-2：太陽能逆變器和光伏(用于高壓太陽能設(shè)備)

挑戰(zhàn)因存在各種監(jiān)管和認(rèn)證機(jī)構(gòu)而變得更加復(fù)雜，每個(gè)機(jī)構(gòu)都有自己的要求集。主要組織包括 UL(美國保險(xiǎn)商實(shí)驗(yàn)室 - 美國)、CE(歐盟符合性聲明 - 歐盟)、CCC(中國強(qiáng)制性產(chǎn)品認(rèn)證 - 中國)和 PSE(電氣用品和材料安全法 - 日本)。例如，CE 可能要求在特定電壓水平下進(jìn)行 1 秒測試，而 UL 可能要求在另一個(gè)電壓水平下進(jìn)行 60 秒測試。這導(dǎo)致了復(fù)雜的“要求拼湊”，制造商必須應(yīng)對(duì)這種復(fù)雜性才能實(shí)現(xiàn)全球合規(guī)。

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