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隔离101:如何为您的应用找到合适的隔离解决方案

关键词:隔离解决方案 变压器技术 电机驱动电路

时间:2020-06-24 11:52:27      来源:网络

尽管您可能已清楚地知道什么是隔离,但您仍然可能会对隔离的各种类型有疑问。在本篇技术文章中,我将定义四种主要的隔离类型,并解释工程师如何从TI新的全集成变压器技术中获益,这种技术与其他增强型隔离解决方案相比,具有多种优势。

  尽管您可能已清楚地知道什么是隔离,但您仍然可能会对隔离的各种类型有疑问。在本篇技术文章中,我将定义四种主要的隔离类型,并解释工程师如何从TI新的全集成变压器技术中获益,这种技术与其他增强型隔离解决方案相比,具有多种优势。

  简单地说,隔离可在传输所需信号和/或电源的同时,阻止系统不同部件之间的异常直流和交流电流。设计人员将在许多应用中采用隔离技术来为电源或电机驱动电路中的高压侧栅极驱动器供电,保护高压系统中的低压电路(如电动汽车系统中的处理器),分离具有不同电压电位的系统之间的通信,或防止高压设备终端用户触电。存在许多不同级别的隔离,包括功能隔离、基础隔离、双隔离和增强隔离。

  功能隔离,顾名思义,仅提供功能。它以一个电势将一个信号或电源从一个电势的系统传递到另一个电压不同的系统。它并不能防止触电。

  下一个是基础隔离。它是一种功能隔离,但增加了触电保护。I类设备使用功能隔离和接地连接来保护用户。图1所示为典型的I类设备。

 

外壳

接地

外壳接地

图1:典型的I类设备

  双隔离采用具有基本隔离(基础级触电保护)的系统,并在电气部件和最终用户之间添加了辅助绝缘层,以在基本隔离失效时降低触电的可能性。II类产品需要双隔离。这些产品配有不带接地插脚的交流插头,这提高了产品的安全性,因为它不依赖外部接线来保证用户的安全。具有双隔离的终端设备示例包括电网资产监控系统、便携式医疗设备(如静脉注射泵)和电气设备(如搅拌机或手机充电电源)。

  第二层将内部金属部件(可能带电)与外部外壳物理隔离,或使用非导电的外部外壳,如塑料。与I类设备相比,II类设备确实具有一定的安全性,因为它们不依赖外部接线来提供冗余保护。图2所示为典型的II类设备。

  双隔离-整个系统保护客户免受电击

  绝缘层可防止任何电流传导到外壳上。

  外壳

  接地

  绝缘层

  基础隔离–提供第1级保护和系统所需的任何功能隔离

  增强型隔离与使用单层的双隔离效果相同。带有增强型隔离的设备提供基本隔离;此外,它用来确保印刷电路板迹线、磁芯、绕组、引脚等之间的物理隔离,同时满足安全蠕变和间隙距离(指两个电压系统之间的物理距离)。增强设备采用双隔离设计,但只能作为一个单件进行测试。

  安全标准定义了认证必须达到的值。例如,国际电工委员会(IEC)60950-1要求基础隔离的蠕变/间隙距离为3.2 mm,增强型隔离和双隔离的蠕变/间隙距离为6.4 mm。基础隔离的额定电压要求为2,500 VRMS(1分钟)和3,000 VRMS(1秒);增强型隔离和双隔离的额定电压要求为5000 VRMS(1分钟)和6,000 VRMS(1秒)。你可以看到增强/双隔离正好是 - 基础隔离的两倍。如图3所示,双隔离设备标示在带双盒标志的标签上。

  类设备由一个双线插头和电源上的指示灯表示。

  一旦您决定构建II类设备,您将需要双隔离或增强型隔离。为什么选择这一类型,而不选其他类型?答案在于解决方案的尺寸和成本。正如您想象的那样,如果一台设备能完成两台设备的工作,就能产生尺寸更小的解决方案。您不仅可以通过集成到单个设备,还可以通过减少满足隔离安全标准所需的工作量来节约成本。

  全集成、增强的隔离解决方案采用小包装,并且易于实施。与其他解决方案相比,这种设备有多种好处。例如, 德州仪器UCC12050将所有的控制器、驱动器,场效应晶体管和磁性元件集成到单个封装中。您只需将设备放置在带有一些旁路电容器的电路板上,并按照正确的电路板布局说明进行操作,即可设计出一个增强型隔离解决方案,从而可以在超小的占用空间内偏置电源应用。所有的工程工作已经完成:无磁性元件设计,无电源控制器选择。

  如德国电气工程师协会 (VDE) 0884-10和国际电工委员会 (IEC) 60747-17等标准为增强型隔离设备认证提供了最低要求。UCC12050满足增强型隔离的所有要求,最小隔离保护为7 kVPK(1秒,经生产测试)和5 kVRMS(1分钟)。

  总而言之,功能和基础隔离将一个电压轨与另一个电压轨电气隔离,而双隔离和增强型隔离为相同的设计目标提供可互换的解决方案 - 从插头上拔下接地管脚。

  增强型隔离通过将两个绝缘设备减少到1个来提供比双隔离更好的优势。与其他隔离式偏置电源解决方案相比,它是您的系统中节省时间、精力、空间和成本的理想选择。

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