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(cè)試達(dá)1秒鐘，而不會(huì)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(lái)自電路的信號(hào)噪聲，同時(shí)可以由遠(yuǎn)程分離供電的方式支持兩個(gè)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(gè)單元組件共享一個(gè)公共信息與電源總線，而無(wú)需擔(dān)心某個(gè)單元失效時(shí)會(huì)影響和損壞整個(gè)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(guò)多電流而導(dǎo)致過(guò)熱或者引發(fā)失火事故。

　　雖然1KVDC的隔離聽(tīng)起來(lái)似乎非常高，但是變壓器結(jié)構(gòu)卻非常簡(jiǎn)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(jí)繞組和次級(jí)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(qǐng)記住：這里討論的是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(guò)1000VDC。如果初級(jí)繞組和次級(jí)繞組直接纏繞在一起，沒(méi)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(gè)繞組上的絕緣層失效、有針孔缺陷或者在組裝時(shí)被刮，另一個(gè)繞組上的絕緣層仍然可以耐受全部的1kVDC測(cè)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(wú)需為電氣隔離問(wèn)題作出折衷(即使在考慮到一個(gè)繞組或者另一個(gè)繞組上的絕緣層可能有問(wèn)題的情況下)。(請(qǐng)參見(jiàn)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(duì)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(jí)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(jí)(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(shí)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(jí)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(duì)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(jì)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(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型隔離變壓器?實(shí)際上，變壓器隔離等級(jí)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(duì)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(guò)絕緣材料表面的部分導(dǎo)電通路)或者跳火(穿過(guò)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(guò)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(jí)

　　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(jí)所需的最小間距：

　　表1：隔離等級(jí)定義(數(shù)據(jù)來(lái)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(duì)于爬電距離，對(duì)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(duì)相同隔離等級(jí)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(shí)也可以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)型隔離等級(jí)。

　　根據(jù)這個(gè)表中的信息可以確定對(duì)于每個(gè)應(yīng)用和隔離等級(jí)而言，輸入和輸出繞組的間距必須為多少。