1.2 电气隔离的重要方法

1.2.1 应用概述

在电力电子装置（PEE）中，隔离对象主要分为：模拟电路的隔离、数字电路的隔离和数字电路与模拟电路之间的隔离。所使用的隔离法主要有：电源变压器、脉冲变压器、继电器、光电耦合器（以下简称光耦）、线性隔离放大器（如光耦隔离法、电场隔离法和磁场隔离法）、光纤和隔离式A/D转换器等多种隔离方法。

以隔离变压器为例，隔离变压器与一般的变压器有着很大的区别，这点可从结构和功能两方面来说明。一般的变压器由于要变换电压、电流和阻抗，它的一次和二次绕组匝数比不会等于或近似为1，而隔离变压器的一次和二次绕组匝数比却为1或近似为1（考虑一、二次绕组的磁通及电压损耗时）；从功能上来说，普通变压器是用来实现电能或信号的传输和分配，达到变压、变流及阻抗匹配的目的，而隔离变压器的功能却是隔离电源、切断干扰的耦合通路和传输通道。

隔离变压器根据用途可分为两大类：

（1）隔离干扰：这类隔离变压器广泛用于电子电路中抑制噪声干扰，扮演“干扰隔离”的角色。该类变压器使两个互有联系的电路相互独立，不能形成回路，从而有效地切断干扰信号通路。通常使用的抗干扰隔离变压器的电压比为1∶1，一、二次绕组间加有屏蔽层。一些对质量要求较高的测量及信号放大器还要求变压器的一次侧和二次侧以及一、二次侧之间均分别加有屏蔽层的所谓“三重屏蔽”方式。只要屏蔽层接地良好，就能有效地抑制从一次绕组耦合到二次绕组的电容性耦合噪声。在电子电路中，隔离变压器还可用来断开共地环路，抑制噪声磁场的影响，切断公共阻抗耦合干扰通道。另外，由于工业电子设备（例如：模拟电子仪表、数字电子仪表及工业控制计算机等）接在公用电网上，各种用电设备的起停、大功率电力电子装置中晶闸管器件的快速导通与截止、在电网中产生冲击尖峰脉冲和高次谐波，对接于同一供电线路的工业电子设备都会产生干扰，使它们不能正常工作，因此，除了可敷设专用供电线路以外，还可以采用隔离变压器加以隔离。实践证明，采用隔离变压器是一种简便易行的抗干扰措施。在使用中，安装抗干扰隔离变压器时，应该尽量靠近负载侧，以降低二次回路再次拾取噪声的可能性。

（2）隔离电源：这类隔离变压器的主要功能是隔离电源，如在家用电器维修中修理彩色电视机时经常用到的就是这种。为了降低成本，很多电力电子装置中经常会使用不带电源变压器的开关式电源，220V单相交流电与控制器底板有电的联系。因为在操作过程中稍有不慎就会发生触电事故，所以必须采用安全隔离措施来加以预防。此种用来隔离电源的隔离变压器就能起到“安全隔离”的作用。它的匝数比亦为1∶1，但在大多数情况下，考虑到变压器中存在着各种损耗，故常将二次绕组匝数设计得比一次绕组匝数多3%～5%。一次绕组与二次绕组之间绝缘应良好、不漏电，从而起到安全隔离的作用。这种隔离变压器就其额定使用电压来看，除220V/220V最为常见之外，还有380V/380V和超低电压级的36V/36V、24V/24V等。

在电力电子装置中需要重视的是，我国AC 380/220V供电系统多为中性点直接接地系统，即TN系统。在使用电源隔离变压器时，由于规定其二次绕组的任一端绝不允许接地，因此它本质上是将中性点直接接地的TN系统的供电系统，转换成了不接地的供电系统。这样，由于隔离变压器二次绕组与大地没有直接电的连接，成为悬浮状态，维修人员即使不小心碰到隔离变压器二次绕组两端的任一端及其与之连接的导体时，也不会发生被电击的危险。因为在这样的情况下，没有构成可以通过人体的电流的完整通路。虽然隔离变压器的二次绕组及其两根引线，在理论上与大地之间会有相对绝缘电阻和对地分布电容的客观存在，但因其二次引线较短，由它们构成的绝缘阻抗相当大，实际上可通过人体的电流非常微小，不致引发电击危险。

为了阐释方便起见，对于PEE系统而言，它主要分为电子电路隔离、测量系统隔离和供电系统隔离3个环节。

1.2.2 电子电路隔离环节

就电子电路隔离环节而言，主要涉及数字电路系统，它主要包括：数字信号输入系统和输出系统。那么，在电子设备的电路隔离技术运用的过程，应当针对各个方面的特性，选择相对良好的隔离形式，如：光耦、继电器和脉冲变压器等典型隔离手段。

1. 光耦及继电器隔离技术

如图1-4a所示，光耦是目前在电子电路隔离技术中的典型代表，使用该技术进行隔离的过程中，可将电路自身和内部输入性之间进行分离。目前，光耦隔离技术的整体水平较为先进，在2.5～8kV电压环境下的隔离效果非常优秀。光耦隔离不仅仅拥有高压隔离，在一定程度上也具有高速高频率的功能，对噪声的抑制也会起到良好的效果。光耦隔离技术主要通过发光二极管和光电晶体管实现信号的无电气互联特性传输，且发光二极管和光电晶体管集成在同一个芯片中。在图1-4a中，借助于光耦、上拉电阻R₂和反相器，可以输出高、低电平指令。电阻R₁为光耦一次侧的限流电阻，用于防止发光二极管VL过电流产生损坏。在电路设计过程中，R₁和R₂的电阻值需要设计者根据实际信号的需求，酌情选取。

2. 机电隔离技术

如图1-4b所示，继电器隔离技术是电子电路隔离技术中应用十分广泛的一种机电隔离技术。它主要是利用数字输出隔离器件的形式，对其噪声进行有效地消除和抑制，该项技术具有实用、简单和易于操作等方面的特点。同时，对于继电器隔离技术的引入，在价格方面也相对较为便宜，可以有效提升相关行业的经济效益。在应用中设计工程师需要对数字输出过程中的各个元器件进行全面的分析检查，然后再将继电器隔离元件融入其中。在具体的使用过程中可以将电路的高低压交流电隔离开，继而保障整个电路系统的运行稳定性。在图1-4b中，电阻R₁为限流电阻，K为继电器线圈。

3. 脉冲变压器隔离技术

如图1-4c所示，脉冲变压器隔离技术也是现阶段在电路隔离中应用较为广泛的一种隔离技术，具有很好的应用效果。但是，在应用过程中需要注意的内容也较多，如：一次绕组和二次绕组必须分布在铁氧磁心的两侧，对于容量较大的电路适用性不高。此外，在向脉冲变压器输入内部信息的过程中，对于直流分量的隔离效果不佳。另外，在脉冲变压器隔离技术实施的过程中，信号传播的频率为1 kHz～1MHz，最新的脉冲变压器隔离可以达到百MHz级（如带输入禁用和1个反向通道的四通道隔离器ADUM141D，数据速率高达150Mbit/s），从而对其噪声进行有效隔离。

4. 电容隔离技术

电容隔离技术基于一个随电容极板上的电荷量而改变的电场，该电荷跨过一个隔离层而被检测，并与所测得信号值成正比。电容隔离技术的一个优势就是它抵抗电磁噪声干扰的能力。与光学隔离技术相比，电容隔离可以支持更高的数据传输速率，因为LED需要进行开关操作。由于电容隔离技术涉及用于数据传输电场的使用，因此它易受到外部电场的干扰。

1.2.3 测量系统隔离环节

对于测量系统的隔离环节而言，主要涉及低压信号隔离和高压信号隔离两个部分。

1. 低压信号隔离技术

测量系统的隔离技术作为电气电路隔离技术中的重要组成部分，主要应用于对高、低压电信号的隔离。设计工程师在对测量系统（如电流互感器、电压互感器、霍尔电流传感器和霍尔电压传感器等方式）进行隔离的过程中，需要将高、低压电信号进行有机地结合，才能满足实际的隔离需求。在低压信号隔离部分，设计工程师必须考虑到宽带频率以及精准度两个影响因素，做到全方位的低压隔离。

针对直流分量和共模噪声干扰比较严重的场所，可以采用将输入和输出模拟信号隔离的方式，当属线性隔离放大器，如：高稳定性隔离放大器ADUM3190 [2.5kV（有效值）级]和ADUM4190 [5kV（有效值）级]，它们可以起到绝缘且消除噪声的作用。但是，在使用该方式的过程中，应当通过利用有效的手段避免模拟系统的干扰，尤其是在参考地接入逻辑系统时，经常会导致该系统发生混淆。与此同时，该方式在精密测量系统消除噪声的过程中，应当避免数字系统的脉冲波耦合干扰信号，因为其会减弱信号幅值，甚至会掩埋有用信号。

图1-5所示为线性隔离放大器的封装与原理框图，在ADuM3190电路中，为V_DD1和V_DD2引脚提供3～20V外部电源电压，同时内部稳压器提供它们每一侧的内部电路工作所需的3.0V电压。内部精密1.225V基准电压源为隔离误差放大器提供±1%精度。过、欠电压（UVLO）电路监控V_DDx电源，当达到2.8V的上升阈值时打开内部电路；当V_DDx下降至2.6V以下时，将误差放大器关闭至高阻抗状态。器件右侧的运算放大器具有同相引脚+IN和反相引脚-IN，可用于隔离DC/DC转换器输出的反馈电压连接（通常使用分压器实现连接）。COMP引脚为运算放大器输出，在补偿网络中可连接电阻和电容元件。COMP引脚从内部驱动Tx发送器模块，将运算放大器输出电压转换为编码输出，用于驱动数字隔离变压器。

在ADuM3190和ADuM4190的左侧，变压器输出PWM信号，通过Rx模块解码，将信号转换为电压，驱动放大器模块；放大器模块产生EA_OUT引脚上的误差放大器输出。EA_OUT可提供±3mA电流，并且电压电平范围为0.4～2.4V，通常用于驱动DC/DC电路中PWM控制器的输入。

另外，在线性放大器的运用过程中，由于微电流系统具有一定的复杂性，那么此时建议采用仪表放大器（即仪用运放）等器件，实践表明，它们可以有效地隔离电磁噪声且效果非常突出。同时，针对测量精度相对较高的场合，建议选择一些精度更高、性能更稳定的运放。

2. 高压信号隔离技术

在高压信号的隔离上，设计工程师应当充分借助传感器（如霍尔电压传感器、电压互感器、霍尔电流传感器和电流互感器等）的隔离作用，以便对电路中较大频率的电压、电流信号进行有效的电气隔离。在具体的隔离操作中，由于相同类型的传感器，其在隔离方式上较为接近，但是隔离效果却存在显著的差异。因此在实际操作时，应当对高频电流信号的频率进行测试，然后再选择最为合适的隔离传感器，确保隔离的有效性。对设计工程师来讲，则是在电路的设计阶段就应该将高压信号隔离的因素考虑其中，结合电路的实际需求，全方位地进行电气隔离电路的设计，否则，一旦在调试阶段才发现不足就会全盘皆输。

1.2.4 供电系统隔离环节

在电力电子装置（PEE）中，对供电系统进行有效的隔离也是电子电路隔离中十分重要的组成部分。在直流系统的隔离中，必须找到一个合适的隔离方式，才可以将整个供电系统的各项电磁噪声进行有效的控制。随着整个供电系统在供电容量和复杂程度方面的不断提升，传统的电源模块已经难以满足隔离的需要。因此，需要设计工程师结合供电系统电源和信号的隔离需求进行综合研判，继而采用合适的隔离器件，设计出合理的隔离电路，才能有效地避免系统在运行中经常受噪声干扰的问题。

1. 直流供电系统的电气隔离

设计工程师应当充分利用直流供电系统内部的隔离技术，以达到有效隔离的效果。在对供电系统内各项电子设备进行安装时，就需要充分做好隔离工作，并且通过交流隔离方式，以便进一步增强隔离效果。图1-6所示为供电系统隔离方式示意图，图1-6a中采用的DC/DC均为隔离式DC电源模块。

2. 交流供电系统的电气隔离

对于供电系统中的交流电网而言，在供电全过程中会存在大量的谐波、高频干扰等噪声，也会遭受雷击浪涌的不良影响，因此必须采用电源隔离变压器，对电源中所产生的噪声进行有效抑制。在使用隔离变压器的过程中，应当对它的型号、容量、种类和接线方式（含屏蔽接地）等方面，进行详细的分析与合理的筛选，主要是虽然一次绕组和二次绕组可起到隔离作用，但是并不能很好地解决由于分布电容的存在而导致的电磁噪声耦合到二次侧的问题。所以，必须在传统隔离的基础上进一步在绕组之间设置合适的屏蔽层，通过此方式来进一步改善其隔离效果，提高该系统的电磁兼容性能。

我们将任何载流导体与参考地之间的不期望电位差称为共模电压。IT设备的信号电压和逻辑电压仅为几V，过大的共模电压会淹没它们导致其无法正常工作。在供电系统中，三相不平衡电流和3次及其整数倍谐波流过中性线时，均会导致中性线与PE线间产生电位差。例如，在舰船中由于视频监控等智能化系统的广泛使用，各舱室弱电间均需安装通信等重要设备，为保障此类设备的不间断可靠运行，通常就必须采用UPS为其供电。图1-7所示为基于工频变压器的UPS拓扑（弱电+传感部分省略）。虽然，在输出端增加了变压器使得装置笨重、效率低和成本增加，但工频机却起到了隔离和变压的双重作用，既提高了输出电压的质量，又改变了配电制式。交流220V/380V的电压制式经整流后输出直流电压值无法满足逆变器不失真输出交流220V/380V正弦交流电压，且为了节约成本，一般不将电池电压做得太高，因此，工频机逆变器必须设置隔离变压器，以实现隔离和变压的双重作用。

同时为便于后期维护和管理便利，往往会分区域集中设置UPS机房，部分距离较远的弱电间电源线路过长，中性线压降过大，如图1-8a所示，使通信等重要设备会受共模干扰的影响。为了消除这种不利因素，如图1-8b所示，在受干扰的通信设备中设置隔离变压器，其二次绕组充当隔离电源的能量传输系统，则中性线与PE（接地）线间的电位差以该PE为始点，共模电压会得到有效的抑制。

事实上，如何合理地设置隔离变压器，需要参照相关规范执行，如GB 50174—2017 《数据中心设计规范》第8.1.10节规定：“当输出端中性线与PE线之间的电位差不能满足电子信息设备的使用要求时，配电系统可装设隔离变压器。”如果PEE系统的使用环境比较复杂（比如工业现场），或涉及多个不同电源供电系统之间的相互通信（比如RS-232、RS-485和CAN等），都需要（甚至是必须）进行电气隔离，一般会涉及下面3个方面的隔离内容：

1）电源的隔离，一般会选择DC/DC隔离电源模块；

2）信号与数据的隔离，一般采用专门的隔离通信器件；

3）地线的隔离，前侧（输入端）的参考地与后侧（输出端）的参考地是不可以连接在一起的，但有些场合却不得不连接在一起时，我们可以选用磁珠或0Ω电阻放在两个地之间。