電源中的電氣隔離不僅僅是關乎安全——它更是性能和可靠性的基石。本文將探討隔離屏障的概念以及工作電壓和測試電壓之間的區別。它還將討論標準為何重要?幫助工程師設計出滿足當今嚴苛法規和應用需求的穩健系統。

引言

在為任何應用(無論是醫療、電信、工業還是其他領域)選擇電源時，工程師必須考慮多種因素。首要任務是確保電源能夠處理所需的交流和/或直流輸入電壓范圍，并提供必要的輸出功率。其他關鍵考慮因素包括效率、熱管理、尺寸、法規符合性、電磁兼容性 (EMC) 和環境穩健性。

一個常被忽視的方面是適當的隔離。選擇具有合適隔離特性的電源對于系統的長期可靠性、安全性和標準符合性至關重要。對于任務關鍵型和安全關鍵型的安裝，例如工業、醫療 和自動化應用，了解測試電壓和工作電壓之間的區別對于做出明智的設計決策至關重要。

什么是隔離屏障?

在電源中，隔離屏障是連接電源的輸入側(原邊)與為負載供電的輸出側(副邊)之間有意設置的電氣隔離。該屏障可防止電流在兩側之間直接流動，同時仍允許安全有效地傳輸功率和數據。這種隔離通常通過用于功率傳輸的變壓器實現，并輔以用于控制信號反饋的光耦合器或數字隔離器。

什么是工作電壓和測試電壓?

隔離屏障兩端的“工作電壓”(也稱為“持續電壓”)是指在正常操作期間兩個隔離域之間能夠持續存在的最大電壓差。這個值對于確定電源的絕緣要求和安全等級至關重要——它取決于系統配置，而不僅僅是輸入電壓。

“介電耐壓強度”(也稱為“測試電壓”)是指絕緣材料(“電介質”)在不發生擊穿的情況下能夠承受的最大電壓。換句話說，它是材料能夠維持隔離而不允許電流通過從而危及安全的閾值。“介電強度測試”(也稱為“高壓測試”或“耐壓測試”)就是基于這一概念。在此測試中，會在隔離屏障兩端施加一個高電壓(通常遠高于工作電壓)。其目的是確認絕緣保持完好，沒有擊穿或過量泄漏，證明即使在瞬態或故障條件下產品也是安全和可靠的。

在介電強度測試期間，高壓會施加一段規定的時間，通常是 1 秒或 60 秒，以驗證是否存在泄漏或擊穿。1 秒測試通常用于生產環境，以防止元件老化，而 60 秒測試則更為嚴格，通常保留給型式認可和認證使用。不同的標準定義了工作電壓的各種倍數、測試持續時間，甚至測試波形，以驗證絕緣完整性。

隔離的關鍵考量因素有哪些?

電源的安全性和可靠性需要關注其電氣特性和物理設計。標準對以下方面提出了要求：

工作電壓(跨越屏障的持續電壓)

介電耐壓強度(短時高壓測試)

絕緣類型(基本絕緣、附加絕緣、加強絕緣或雙重絕緣)

電氣間隙 (Clearance distance)

爬電距離 (Creepage distance)

污染等級 (Pollution degree)

過電壓類別 (Overvoltage category - OVC)

海拔高度 (Altitude)

交流 vs 直流輸入(在交流設計中，峰值電壓和瞬態更嚴重，需要更堅固的絕緣和間距)

電氣間隙是指兩個導電部件之間通過空氣的最短距離，間隙可防止“閃絡”(通過空氣的電弧)。相比之下，爬電距離是指兩個導電部件之間沿表面的最短路徑，旨在防止“爬電”(電流沿絕緣材料表面流動)。所需距離取決于幾個因素：

工作電壓

過電壓類別

污染等級

材料組別(絕緣的耐電痕指數)

海拔高度

過電壓類別 (OVC) 代表電源預期運行的電網層級。更高的類別對應更大的瞬態電壓峰值，這需要增加間隙和更高的測試電壓來維持安全。以下是這些類別的高級概述：

CAT I：受保護的電子電路(電池供電、有限能量的次級電路)

CAT II：本地設備(家用電器、便攜式工具)

CAT III：建筑物裝置(配電盤、固定布線)

CAT IV：安裝起點(供電引入線、一次配電)

污染等級 (PD) 描述了在正常操作期間可能積聚在電源絕緣上的導電污染物的量。更高級別的污染需要增加爬電距離以維持安全隔離。以下是這些類別的高級概述：

PD 1 (0.1倍)：清潔、干燥(例如，密封電子產品、太空)

PD 2 (1.0倍)：通常不導電，偶爾有冷凝(典型的室內環境)

PD 3 (1.5倍)：導電性污染或濕度(例如，廚房、工廠)

PD 4 (2.5倍)：持續的導電性污染(有大量鹽霧的戶外、化工廠)

每個污染等級都有一個對應的乘數，該乘數應用于每千伏工作電壓的基本爬電距離。例如，如果基本爬電距離為 2mm/kV，且電源預期用于 PD 4 環境，則要求變為 2mm × 2.5 = 5mm/kV 工作電壓。此外，必須考慮海拔效應。隨著海拔升高，空氣密度降低，這會降低介電強度并增加電弧風險。IEC 60664-1 等標準對海拔 2000 米以上的間隙應用降額因子。例如，在 5000 米高度，所需的間隙可能需要比海平面增加 50% 或更多。

繁多的標準

有一個古老的工程笑話：“標準很棒……每個人都應該有一個?！碧魬鹪谟冢S多組織確實都有自己的標準。在電源隔離方面，存在許多標準，每個標準都有不同的要求。電源絕緣和安全方面一些更常見的標準如下：

IEC 60950-1：IT 和電信設備(現已被 IEC 62368-1 取代)

IEC 62368-1：音視頻、IT 和電信(替代 IEC 60950-1 的現代標準)

IEC 60601-1：醫療設備(包括患者/用戶保護)

IEC 61010-1：實驗室和工業(側重于測試和測量設備)

IEC 60204-1：工業機械系統(通常與 IEC 61010 配對使用)

IEC 62109-1/-2：太陽能逆變器和光伏(用于高壓太陽能設備)

挑戰因存在各種監管和認證機構而變得更加復雜，每個機構都有自己的要求集。主要組織包括 UL(美國保險商實驗室 - 美國)、CE(歐盟符合性聲明 - 歐盟)、CCC(中國強制性產品認證 - 中國)和 PSE(電氣用品和材料安全法 - 日本)。例如，CE 可能要求在特定電壓水平下進行 1 秒測試，而 UL 可能要求在另一個電壓水平下進行 60 秒測試。這導致了復雜的“要求拼湊”，制造商必須應對這種復雜性才能實現全球合規。

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