绝缘系统设计

  1. 电气间隙与爬电距离

​​定义​​: 电气间隙指两个导体之间最短的空气距离;爬电距离指沿导体表面的最短路径距离。

​​目的​​: 两者的核心目的都是为了防止在施加电压后,两个导体之间发生击穿或放电,确保电路的安全与稳定。

​​2. 绝缘等级与实现方式​​

​​基本绝缘 (BI)​​: 通常由PCB板上的微带线提供,距离相对较短,对于大部分板内电路已足够。

​​功能绝缘​​: 要求比基本绝缘更长的距离。

​​附加绝缘​​: 通常不独立存在,而是与基本绝缘配合使用,共同构成加强绝缘。

​​加强绝缘​​: 主要应用于强电与弱电之间(如强电对弱电、强电对地),以确保人身安全。其核心是形成一个隔离系统,确保地线不互联。

​​3. 加强绝缘的实现方法​​

​​隔离技术​​: 主要通过光耦、磁耦、变压器等方式实现。

​​光耦 (Optocoupler)​​: 最早且成本较低的方案,通过发光二极管和光敏晶体管实现电气隔离。

​​磁耦 (Transformer)​​: 常用于辅助电源系统,其绕组间的距离决定了其绝缘等级。

​​4. 光耦选型与使用要点​​

​​选型关键参数​​: 主要关注电流传输比 (CTR)、正向电流 (If)、正向压降 (Vf) 和最小工作电流。

​​CTR​​: 计算时必须使用其最低值,以应对器件老化后的光衰问题。

​​原边电流计算​​: 已知所需副边电流 (Ic) 和CTR后,可反推所需原边电流 (If),进而确定原边限流电阻的阻值。

​​使用要点​​: 光耦的原边和副边必须不共地,否则无法实现真正的电气隔离。

  1. 电气绝缘系统基础概念

​​污染等级​​:根据材料受潮后导致漏电起痕的难易程度划分为一级至三级。一级为最不易受污染,三级为最差。

​​材料组​​:根据材料的漏电起痕指数(CTI值)划分,用于确定不同环境下的绝缘性能。

​​过电压等级​​:用于耐压试验,通常需高于系统工作电压一个等级(如220V系统需按250V设计)。

​​爬电距离与电气间隙​​:爬电距离通常大于或等于电气间隙,两者共同构成最小安全距离。

​​2. 设计流程与关键器件​​

​​设计流程​​:需先确定产品的工作电压、污染等级和材料组,再根据标准查找对应的爬电距离和电气间隙,最后进行PCB布局。

​​隔离设计​​:设计中需重点关注隔离器件的选型与设计,如光耦、磁耦等。

​​变压器作用​​:在电力电子电路中,变压器主要用于电压变换和提供电气隔离,其工作原理基于法拉第电磁感应定律。

​​3. 相关标准​​

设计需遵循相应的安全标准,如产品安全(IEC 621009, IEC 62477)、电磁兼容(EMC, IEC 61000)、并网性能(IEC 50549)等。

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