增强型DC/DC隔离变压器

1万 · 2014-10-9 20:01

　　DC/DC转换器可提供一般至少1kVDC的电压隔离（输入到输出）。这意味着，这种转换器可以承受施加在输入和输出引脚上的1000VDC电压测试达1秒钟，而不会破坏变压器的绝缘。

　　DC/DC转换器的这一特性有诸多用途：电隔离可中断接地回路，从而消除来自电路的信号噪声，同时可以由远程分离供电的方式支持两个独立电路之间的信息传输，也支持由正电压转换到负电压以及负电压转换到正电压，并允许多个单元组件共享一个公共信息与电源总线，而无需担心某个单元失效时会影响和损坏整个网络，最重要的是，这种隔离可充当安全栅，以防触电，避免产生过多电流而导致过热或者引发失火事故。

　　虽然1KVDC的隔离听起来似乎非常高，但是变压器结构却非常简单。典型的小功率DC/DC转换器将采用内置环型或者绕线管式变压器，这种变压器由环形铁氧体磁芯和用漆铜线绕制的初级绕组和次级绕组组成。涂在铜线上的标准聚亚安酯漆，漆铜线是不大于0.1mm的导体直径（请记住：这里讨论的是1W或2W的小功率转换器）以及仅0.005mm的聚亚安酯塑料薄膜。然而即使不论这层极薄的绝缘涂层，漆铜线的电介质强度也能够轻易超过1000VDC。如果初级绕组和次级绕组直接缠绕在一起，没有任何额外的绝缘层，那么电隔离将仍然是1kVDC + 1kVDC = 2kVDC。

1万 · 2014-10-9 20:02

　　因此，即使一个绕组上的绝缘层失效、有针孔缺陷或者在组装时被刮，另一个绕组上的绝缘层仍然可以耐受全部的1kVDC测试电压。这意味着输入和输出绕组可以直接缠绕在一起，而无需为电气隔离问题作出折衷（即使在考虑到一个绕组或者另一个绕组上的绝缘层可能有问题的情况下）。（请参见图1）这类隔离被称为工作或功能隔离。

图1：功能隔离变压器结构

　　然而，虽然对于大多数工业和商业应用而言，具有功能性隔离的变压器都是安全可靠的，但是严格安全性的应用或者隔离等级高于4kVDC的应用是不容许直接将输入和输出绕组缠绕在一起。这些绕组必须进行隔离。但是如何确定间距呢？

1万 · 2014-10-9 20:03

　Underwriters Laboratories公司（UL）根据变压器的工作电压以及三种隔离等级（基本型、附加型和增强型隔离）定义了所要求的间距。物理间距被进一步细分为爬电距离和电气间隙。

　　基本型隔离、附加型隔离与增强型隔离

　　基本型、附加型和增强型隔离的定义目前尚不明确。基本型隔离是指“提供防触电的基本保护所需的绝缘”，附加型隔离是指“除基本绝缘之外，确保在基本绝缘失效时防触电所采用的附加绝缘”，而增强型隔离则指“一种提供防触电保护等级相当于双重绝缘的单一绝缘系统（双重绝缘是由基本绝缘和附加绝缘组合而成的绝缘）”。对于DC/DC转换器中所用的变压器，这些定义是递归的。什么情况下变压器设计需要有基本隔离或者只需要功能隔离？在绕组之间增加一条塑料带能否将功能隔离变压器变成附加型隔离变压器？增加两层塑料带能否实现增强型隔离变压器？实际上，变压器隔离等级的这些正式定义仅适用于具有爬电距离和电气间隙要求的情况。

1万 · 2014-10-9 20:03

　爬电距离和电气间隙

　　爬电距离是两点之间沿表面的最短距离（走线距离）。电气间隙是两点的空间最短距离（放电距离）。

图2：爬电距离与电气间隙的定义

　　如果爬电距离非常小，那么通常对这两种量度都采用电气间隙这种间距。这样就类似于定义CTI（相比耐漏电起痕指数）的方式。CTI是由于导线（沿着或者穿过绝缘材料表面的部分导电通路）或者跳火（穿过气隙的火花）导致隔离失效的电压量度。同样，在爬电距离极小的情况下，这种隔离失效可能通过导线或者跳火发生，因此在这些情况下，爬电距离=电气间隙。

1万 · 2014-10-9 20:04

　变压器隔离等级

　　根据爬电距离与电气间隙的这些定义，UL定义了满足以下三种隔离等级所需的最小间距：

表1：隔离等级定义（数据来源：UL 60950 2nd Ed., Table XVI）

　　从表1我们可以看到，用于电信应用的DC/DC转换器（输入电压为36VDC至75VDC）要求最小隔离电气间隙为0.7mm可满足基本型隔离，最小隔离电气间隙为2.4mm可满足增强型隔离的条件。对于爬电距离，对应的数据分别为1.3mm和4.6mm。

1万 · 2014-10-9 20:05

　　在较高工作电压下，针对相同隔离等级的爬电距离和电气间隙要求较高。因此增强型隔离意味着变压器必须具有至少5mm的电气间隙，但是12VAC供电的变压器在不到该电气间隙的三分之一时也可以实现增强型隔离等级。

　　根据这个表中的信息可以确定对于每个应用和隔离等级而言，输入和输出绕组的间距必须为多少。

1万 · 2014-10-9 20:05

增强型隔离

　　鉴于业界标准小功率DC/DC转换器采用DIP24框架，其外径尺寸在32mm x 20mm x 10mm左右，因此几乎所有的DC/DC转换器最多具有功能隔离或者基本型隔离。具有4.6mm以上爬电距离的变压器不可能适合高度仅10mm的框架。

　　然而尽管这种间距要求似乎不可能实现，但是Recom的工程师最终仍然开发出了符合增强型隔离要求的DIP24 DC/DC转换器。

1万 · 2014-10-9 20:07

图3：REC3.5（增强型隔离——右图）与REC3（功能隔离——左图）的比较。

1万 · 2014-10-9 20:08

请注意较高隔离所需的变压器和光电耦合器尺寸较大，但是总框架尺寸和引脚分布相同。

　　图左边的标准转换器采用带功能隔离的绕线管式变压器。图右边的增强型隔离转换器则采用全新（专利正在审理之中）的变压器结构，这种结构可确保2.4mm的最小电气间隙。图中的黄色塑料薄膜可确保4.6mm的最小爬电距离。

　　此变压器采用带多层绝缘和隔离栅的内置结构来满足要求。

1万 · 2014-10-9 20:10

图4：增强型隔离变压器结构。

1万 · 2014-10-9 20:12

　以前曾经尝试过开发带增强型隔离的紧凑型变压器，但并未取得成功。原因在于：如果变压器内部的电场和磁场的物理位置没有紧密相连的话，变压器的效率就会降低。如果绕组之间存在较大的气隙，那么电场转化成磁场，磁场再转化成电场的传输比就会大幅降低。但是为了满足增强型隔离的要求，输入和输出绕组之间必须有间隙和物理屏障。因此尽管类似于上图所示的变压器设计能够满足隔离要求，但是由于转换效率太低的缘故，这些设计在实际中一般并未被采用在DC/DC转换器的变压器中。

　　标准的功能隔离DC/DC转换器具有84%左右的典型功率转换效率。这意味着额定功率为3W的转换器在满负荷情况下会耗费3.6W的功率。输入功率与输出功率之间的600mW差值是以散热的形式消耗的内部功率。转换器在工作时发热。在高环境温度下，内部功耗限制了转换器的最高工作温度。如果转换器采用的是低效率变压器（比如75%），那么内部功耗将增加至1W。这会显著降低最高工作温度。效率为84%的典型DIP24转换器的最高工作温度为+85°C，但是效率为75%的转换器的最高工作温度仅+71°C。由于DC/DC转换器的工业温度范围高达85°C，因此效率仅75%的转换器将会被许多工业用户拒之门外。

1万 · 2014-10-9 20:12

　以前曾经尝试过开发带增强型隔离的紧凑型变压器，但并未取得成功。原因在于：如果变压器内部的电场和磁场的物理位置没有紧密相连的话，变压器的效率就会降低。如果绕组之间存在较大的气隙，那么电场转化成磁场，磁场再转化成电场的传输比就会大幅降低。但是为了满足增强型隔离的要求，输入和输出绕组之间必须有间隙和物理屏障。因此尽管类似于上图所示的变压器设计能够满足隔离要求，但是由于转换效率太低的缘故，这些设计在实际中一般并未被采用在DC/DC转换器的变压器中。

　　标准的功能隔离DC/DC转换器具有84%左右的典型功率转换效率。这意味着额定功率为3W的转换器在满负荷情况下会耗费3.6W的功率。输入功率与输出功率之间的600mW差值是以散热的形式消耗的内部功率。转换器在工作时发热。在高环境温度下，内部功耗限制了转换器的最高工作温度。如果转换器采用的是低效率变压器（比如75%），那么内部功耗将增加至1W。这会显著降低最高工作温度。效率为84%的典型DIP24转换器的最高工作温度为+85°C，但是效率为75%的转换器的最高工作温度仅+71°C。由于DC/DC转换器的工业温度范围高达85°C，因此效率仅75%的转换器将会被许多工业用户拒之门外。

1万 · 2014-10-9 20:13

　以前曾经尝试过开发带增强型隔离的紧凑型变压器，但并未取得成功。原因在于：如果变压器内部的电场和磁场的物理位置没有紧密相连的话，变压器的效率就会降低。如果绕组之间存在较大的气隙，那么电场转化成磁场，磁场再转化成电场的传输比就会大幅降低。但是为了满足增强型隔离的要求，输入和输出绕组之间必须有间隙和物理屏障。因此尽管类似于上图所示的变压器设计能够满足隔离要求，但是由于转换效率太低的缘故，这些设计在实际中一般并未被采用在DC/DC转换器的变压器中。

　　标准的功能隔离DC/DC转换器具有84%左右的典型功率转换效率。这意味着额定功率为3W的转换器在满负荷情况下会耗费3.6W的功率。输入功率与输出功率之间的600mW差值是以散热的形式消耗的内部功率。转换器在工作时发热。在高环境温度下，内部功耗限制了转换器的最高工作温度。如果转换器采用的是低效率变压器（比如75%），那么内部功耗将增加至1W。这会显著降低最高工作温度。效率为84%的典型DIP24转换器的最高工作温度为+85°C，但是效率为75%的转换器的最高工作温度仅+71°C。由于DC/DC转换器的工业温度范围高达85°C，因此效率仅75%的转换器将会被许多工业用户拒之门外。

增强型DC/DC隔离变压器

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