隔离屏障的概念以及工作电压和测试电压之间的区别

电源中的电气隔离不仅仅是关乎安全——它更是性能和可靠性的基石。本文将探讨隔离屏障的概念以及工作电压和测试电压之间的区别。它还将讨论标准为何重要?帮助工程师设计出满足当今严苛法规和应用需求的稳健系统。

引言

在为任何应用(无论是医疗、电信、工业还是其他领域)选择电源时，工程师必须考虑多种因素。首要任务是确保电源能够处理所需的交流和/或直流输入电压范围，并提供必要的输出功率。其他关键考虑因素包括效率、热管理、尺寸、法规符合性、电磁兼容性 (EMC) 和环境稳健性。

一个常被忽视的方面是适当的隔离。选择具有合适隔离特性的电源对于系统的长期可靠性、安全性和标准符合性至关重要。对于任务关键型和安全关键型的安装，例如工业、医疗 和自动化应用，了解测试电压和工作电压之间的区别对于做出明智的设计决策至关重要。

什么是隔离屏障?

在电源中，隔离屏障是连接电源的输入侧(原边)与为负载供电的输出侧(副边)之间有意设置的电气隔离。该屏障可防止电流在两侧之间直接流动，同时仍允许安全有效地传输功率和数据。这种隔离通常通过用于功率传输的变压器实现，并辅以用于控制信号反馈的光耦合器或数字隔离器。

什么是工作电压和测试电压?

隔离屏障两端的“工作电压”(也称为“持续电压”)是指在正常操作期间两个隔离域之间能够持续存在的最大电压差。这个值对于确定电源的绝缘要求和安全等级至关重要——它取决于系统配置，而不仅仅是输入电压。

“介电耐压强度”(也称为“测试电压”)是指绝缘材料(“电介质”)在不发生击穿的情况下能够承受的最大电压。换句话说，它是材料能够维持隔离而不允许电流通过从而危及安全的阈值。“介电强度测试”(也称为“高压测试”或“耐压测试”)就是基于这一概念。在此测试中，会在隔离屏障两端施加一个高电压(通常远高于工作电压)。其目的是确认绝缘保持完好，没有击穿或过量泄漏，证明即使在瞬态或故障条件下产品也是安全和可靠的。

在介电强度测试期间，高压会施加一段规定的时间，通常是 1 秒或 60 秒，以验证是否存在泄漏或击穿。1 秒测试通常用于生产环境，以防止元件老化，而 60 秒测试则更为严格，通常保留给型式认可和认证使用。不同的标准定义了工作电压的各种倍数、测试持续时间，甚至测试波形，以验证绝缘完整性。

隔离的关键考量因素有哪些?

电源的安全性和可靠性需要关注其电气特性和物理设计。标准对以下方面提出了要求：

工作电压(跨越屏障的持续电压)

介电耐压强度(短时高压测试)

绝缘类型(基本绝缘、附加绝缘、加强绝缘或双重绝缘)

电气间隙 (Clearance distance)

爬电距离 (Creepage distance)

污染等级 (Pollution degree)

过电压类别 (Overvoltage category - OVC)

海拔高度 (Altitude)

交流 vs 直流输入(在交流设计中，峰值电压和瞬态更严重，需要更坚固的绝缘和间距)

电气间隙是指两个导电部件之间通过空气的最短距离，间隙可防止“闪络”(通过空气的电弧)。相比之下，爬电距离是指两个导电部件之间沿表面的最短路径，旨在防止“爬电”(电流沿绝缘材料表面流动)。所需距离取决于几个因素：

工作电压

过电压类别

污染等级

材料组别(绝缘的耐电痕指数)

海拔高度

过电压类别 (OVC) 代表电源预期运行的电网层级。更高的类别对应更大的瞬态电压峰值，这需要增加间隙和更高的测试电压来维持安全。以下是这些类别的高级概述：

CAT I：受保护的电子电路(电池供电、有限能量的次级电路)

CAT II：本地设备(家用电器、便携式工具)

CAT III：建筑物装置(配电盘、固定布线)

CAT IV：安装起点(供电引入线、一次配电)

污染等级 (PD) 描述了在正常操作期间可能积聚在电源绝缘上的导电污染物的量。更高级别的污染需要增加爬电距离以维持安全隔离。以下是这些类别的高级概述：

PD 1 (0.1倍)：清洁、干燥(例如，密封电子产品、太空)

PD 2 (1.0倍)：通常不导电，偶尔有冷凝(典型的室内环境)

PD 3 (1.5倍)：导电性污染或湿度(例如，厨房、工厂)

PD 4 (2.5倍)：持续的导电性污染(有大量盐雾的户外、化工厂)

每个污染等级都有一个对应的乘数，该乘数应用于每千伏工作电压的基本爬电距离。例如，如果基本爬电距离为 2mm/kV，且电源预期用于 PD 4 环境，则要求变为 2mm × 2.5 = 5mm/kV 工作电压。此外，必须考虑海拔效应。随着海拔升高，空气密度降低，这会降低介电强度并增加电弧风险。IEC 60664-1 等标准对海拔 2000 米以上的间隙应用降额因子。例如，在 5000 米高度，所需的间隙可能需要比海平面增加 50% 或更多。

繁多的标准

有一个古老的工程笑话：“标准很棒……每个人都应该有一个。”挑战在于，许多组织确实都有自己的标准。在电源隔离方面，存在许多标准，每个标准都有不同的要求。电源绝缘和安全方面一些更常见的标准如下：

IEC 60950-1：IT 和电信设备(现已被 IEC 62368-1 取代)

IEC 62368-1：音视频、IT 和电信(替代 IEC 60950-1 的现代标准)

IEC 60601-1：医疗设备(包括患者/用户保护)

IEC 61010-1：实验室和工业(侧重于测试和测量设备)

IEC 60204-1：工业机械系统(通常与 IEC 61010 配对使用)

IEC 62109-1/-2：太阳能逆变器和光伏(用于高压太阳能设备)

挑战因存在各种监管和认证机构而变得更加复杂，每个机构都有自己的要求集。主要组织包括 UL(美国保险商实验室 - 美国)、CE(欧盟符合性声明 - 欧盟)、CCC(中国强制性产品认证 - 中国)和 PSE(电气用品和材料安全法 - 日本)。例如，CE 可能要求在特定电压水平下进行 1 秒测试，而 UL 可能要求在另一个电压水平下进行 60 秒测试。这导致了复杂的“要求拼凑”，制造商必须应对这种复杂性才能实现全球合规。

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