增強(qiáng)型DC/DC隔離變壓器

　DC/DC轉(zhuǎn)換器可提供一般至少1kVDC的電壓隔離(輸入到輸出)。這意味著，這種轉(zhuǎn)換器可以承受施加在輸入和輸出引腳上的1000VDC電壓測試達(dá)1秒鐘，而不會破壞變壓器的絕緣。

　　DC/DC轉(zhuǎn)換器的這一特性有諸多用途：電隔離可中斷接地回路，從而消除來自電路的信號噪聲，同時可以由遠(yuǎn)程分離供電的方式支持兩個獨(dú)立電路之間的信息傳輸，也支持由正電壓轉(zhuǎn)換到負(fù)電壓以及負(fù)電壓轉(zhuǎn)換到正電壓，并允許多個單元組件共享一個公共信息與電源總線，而無需擔(dān)心某個單元失效時會影響和損壞整個網(wǎng)絡(luò)，最重要的是，這種隔離可充當(dāng)安全柵，以防觸電，避免產(chǎn)生過多電流而導(dǎo)致過熱或者引發(fā)失火事故。

　　雖然1KVDC的隔離聽起來似乎非常高，但是變壓器結(jié)構(gòu)卻非常簡單。典型的小功率DC/DC轉(zhuǎn)換器將采用內(nèi)置環(huán)型或者繞線管式變壓器，這種變壓器由環(huán)形鐵氧體磁芯和用漆銅線繞制的初級繞組和次級繞組組成。涂在銅線上的標(biāo)準(zhǔn)聚亞安酯漆，漆銅線是不大于0.1mm的導(dǎo)體直徑(請記?。哼@里討論的是1W或2W的小功率轉(zhuǎn)換器)以及僅0.005mm的聚亞安酯塑料薄膜。然而即使不論這層極薄的絕緣涂層，漆銅線的電介質(zhì)強(qiáng)度也能夠輕易超過1000VDC。如果初級繞組和次級繞組直接纏繞在一起，沒有任何額外的絕緣層，那么電隔離將仍然是1kVDC + 1kVDC = 2kVDC。

　　因此，即使一個繞組上的絕緣層失效、有針孔缺陷或者在組裝時被刮，另一個繞組上的絕緣層仍然可以耐受全部的1kVDC測試電壓。這意味著輸入和輸出繞組可以直接纏繞在一起，而無需為電氣隔離問題作出折衷(即使在考慮到一個繞組或者另一個繞組上的絕緣層可能有問題的情況下)。(請參見圖1)這類隔離被稱為工作或功能隔離。

　　圖1：功能隔離變壓器結(jié)構(gòu)

　　然而，雖然對于大多數(shù)工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用而言，具有功能性隔離的變壓器都是安全可靠的，但是嚴(yán)格安全性的應(yīng)用或者隔離等級高于4kVDC的應(yīng)用是不容許直接將輸入和輸出繞組纏繞在一起。這些繞組必須進(jìn)行隔離。但是如何確定間距呢?

　　Underwriters Laboratories公司(UL)根據(jù)變壓器的工作電壓以及三種隔離等級(基本型、附加型和增強(qiáng)型隔離)定義了所要求的間距。物理間距被進(jìn)一步細(xì)分為爬電距離和電氣間隙。

　　基本型隔離、附加型隔離與增強(qiáng)型隔離

　　基本型、附加型和增強(qiáng)型隔離的定義目前尚不明確?；拘透綦x是指“提供防觸電的基本保護(hù)所需的絕緣”，附加型隔離是指“除基本絕緣之外，確保在基本絕緣失效時防觸電所采用的附加絕緣”，而增強(qiáng)型隔離則指“一種提供防觸電保護(hù)等級相當(dāng)于雙重絕緣的單一絕緣系統(tǒng)(雙重絕緣是由基本絕緣和附加絕緣組合而成的絕緣)”。對于DC/DC轉(zhuǎn)換器中所用的變壓器，這些定義是遞歸的。什么情況下變壓器設(shè)計需要有基本隔離或者只需要功能隔離?在繞組之間增加一條塑料帶能否將功能隔離變壓器變成附加型隔離變壓器?增加兩層塑料帶能否實現(xiàn)增強(qiáng)型隔離變壓器?實際上，變壓器隔離等級的這些正式定義僅適用于具有爬電距離和電氣間隙要求的情況。

　　爬電距離和電氣間隙

　　爬電距離是兩點(diǎn)之間沿表面的最短距離(走線距離)。電氣間隙是兩點(diǎn)的空間最短距離(放電距離)。

　　圖2：爬電距離與電氣間隙的定義

　　如果爬電距離非常小，那么通常對這兩種量度都采用電氣間隙這種間距。這樣就類似于定義CTI(相比耐漏電起痕指數(shù))的方式。CTI是由于導(dǎo)線(沿著或者穿過絕緣材料表面的部分導(dǎo)電通路)或者跳火(穿過氣隙的火花)導(dǎo)致隔離失效的電壓量度。同樣，在爬電距離極小的情況下，這種隔離失效可能通過導(dǎo)線或者跳火發(fā)生，因此在這些情況下，爬電距離=電氣間隙。

　　變壓器隔離等級

　　根據(jù)爬電距離與電氣間隙的這些定義，UL定義了滿足以下三種隔離等級所需的最小間距：

　　表1：隔離等級定義(數(shù)據(jù)來源：UL 60950 2nd Ed., Table XVI)

　　從表1我們可以看到，用于電信應(yīng)用的DC/DC轉(zhuǎn)換器(輸入電壓為36VDC至75VDC)要求最小隔離電氣間隙為0.7mm可滿足基本型隔離，最小隔離電氣間隙為2.4mm可滿足增強(qiáng)型隔離的條件。對于爬電距離，對應(yīng)的數(shù)據(jù)分別為1.3mm和4.6mm。

　　在較高工作電壓下，針對相同隔離等級的爬電距離和電氣間隙要求較高。因此增強(qiáng)型隔離意味著變壓器必須具有至少5mm的電氣間隙，但是12VAC供電的變壓器在不到該電氣間隙的三分之一時也可以實現(xiàn)增強(qiáng)型隔離等級。

　　根據(jù)這個表中的信息可以確定對于每個應(yīng)用和隔離等級而言，輸入和輸出繞組的間距必須為多少。[!--empirenews.page--]

　　增強(qiáng)型隔離

　　鑒于業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)小功率DC/DC轉(zhuǎn)換器采用DIP24框架，其外徑尺寸在32mm x 20mm x 10mm左右，因此幾乎所有的DC/DC轉(zhuǎn)換器最多具有功能隔離或者基本型隔離。具有4.6mm以上爬電距離的變壓器不可能適合高度僅10mm的框架。

　　然而盡管這種間距要求似乎不可能實現(xiàn)，但是Recom的工程師最終仍然開發(fā)出了符合增強(qiáng)型隔離要求的DIP24 DC/DC轉(zhuǎn)換器。

　　圖3：REC3.5(增強(qiáng)型隔離——右圖)與REC3(功能隔離——左圖)的比較。

　　請注意較高隔離所需的變壓器和光電耦合器尺寸較大，但是總框架尺寸和引腳分布相同。

　　圖左邊的標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換器采用帶功能隔離的繞線管式變壓器。圖右邊的增強(qiáng)型隔離轉(zhuǎn)換器則采用全新(專利正在審理之中)的變壓器結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)可確保2.4mm的最小電氣間隙。圖中的黃色塑料薄膜可確保4.6mm的最小爬電距離。

　　此變壓器采用帶多層絕緣和隔離柵的內(nèi)置結(jié)構(gòu)來滿足要求。

　　圖4：增強(qiáng)型隔離變壓器結(jié)構(gòu)。

　　以前曾經(jīng)嘗試過開發(fā)帶增強(qiáng)型隔離的緊湊型變壓器，但并未取得成功。原因在于：如果變壓器內(nèi)部的電場和磁場的物理位置沒有緊密相連的話，變壓器的效率就會降低。如果繞組之間存在較大的氣隙，那么電場轉(zhuǎn)化成磁場，磁場再轉(zhuǎn)化成電場的傳輸比就會大幅降低。但是為了滿足增強(qiáng)型隔離的要求，輸入和輸出繞組之間必須有間隙和物理屏障。因此盡管類似于上圖所示的變壓器設(shè)計能夠滿足隔離要求，但是由于轉(zhuǎn)換效率太低的緣故，這些設(shè)計在實際中一般并未被采用在DC/DC轉(zhuǎn)換器的變壓器中。

　　標(biāo)準(zhǔn)的功能隔離DC/DC轉(zhuǎn)換器具有84%左右的典型功率轉(zhuǎn)換效率。這意味著額定功率為3W的轉(zhuǎn)換器在滿負(fù)荷情況下會耗費(fèi)3.6W的功率。輸入功率與輸出功率之間的600mW差值是以散熱的形式消耗的內(nèi)部功率。轉(zhuǎn)換器在工作時發(fā)熱。在高環(huán)境溫度下，內(nèi)部功耗限制了轉(zhuǎn)換器的最高工作溫度。如果轉(zhuǎn)換器采用的是低效率變壓器(比如75%)，那么內(nèi)部功耗將增加至1W。這會顯著降低最高工作溫度。效率為84%的典型DIP24轉(zhuǎn)換器的最高工作溫度為+85°C，但是效率為75%的轉(zhuǎn)換器的最高工作溫度僅+71°C。由于DC/DC轉(zhuǎn)換器的工業(yè)溫度范圍高達(dá)85°C，因此效率僅75%的轉(zhuǎn)換器將會被許多工業(yè)用戶拒之門外。