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        開關(guān)電源工作頻率高于30 kHz時的絕緣要求

        2022-11-16 06:34:44許艷偉
        電視技術(shù) 2022年10期
        關(guān)鍵詞:音視頻絕緣間隙

        許艷偉,劉 立

        (北京泰瑞特檢測技術(shù)服務(wù)有限責(zé)任公司,北京 100015)

        0 引 言

        開關(guān)模式電源(Switching Mode Power Supply,SMPS)是一種高頻化電能轉(zhuǎn)換裝置,是電源供應(yīng)器的一種,其功能是將一個穩(wěn)定的電壓透過不同形式的架構(gòu)轉(zhuǎn)換為用戶端所需的電壓或電流。與傳統(tǒng)的線性電源相比,開關(guān)電源的工作頻率較高,其工作頻率范圍在20~150 kHz。

        為了達(dá)到安全的目的,電子產(chǎn)品常用的AC/DC開關(guān)電源的初級電網(wǎng)電源交流高壓電路和次級輸出的直流低壓電路之間需要進(jìn)行絕緣隔離。常用的起絕緣作用的隔離器件主要有變壓器、Y電容、光電耦合器以及絕緣材料等。

        開關(guān)電源主要由輸入整流濾波電路、功率轉(zhuǎn)換電路、輸出整流濾波電路以及穩(wěn)壓電路等組成。輸入整流濾波電路主要是將交流電整流變成直流電,功率轉(zhuǎn)換電路通過控制開關(guān)管的通斷將直流電形成高頻脈沖電。該高頻脈沖電通過高頻變壓器進(jìn)行變壓,次級高頻脈沖電經(jīng)過輸出整流濾波電路,從而獲得輸出的低壓直流電。穩(wěn)壓電路將次級輸出電壓通過光耦反饋給控制芯片,從而可以輸出穩(wěn)定的直流電壓。由此可見,開關(guān)電源的高頻部分主要在高頻變壓器所在的功率轉(zhuǎn)換電路部分。

        經(jīng)過摸底測試及原理分析可以知道,在開關(guān)電源中,只有變壓器相關(guān)的電路工作頻率可能為高頻。開關(guān)電源的產(chǎn)品安全絕緣性能一般考核的位置及其工作頻率如表1所示。目前,很多開關(guān)電源及其變壓器的工作頻率都超過了30 kHz。

        表1 開關(guān)電源的產(chǎn)品安全絕緣性能一般考核位置及其工作頻率

        高頻會對產(chǎn)品的絕緣性能產(chǎn)生影響。新版安全標(biāo)準(zhǔn)《音視頻、信息技術(shù)和通信技術(shù)設(shè)備 第1部分:安全要求》(GB 4943.1—2022)對絕緣的電氣間隙、爬電距離和固體絕緣增加了頻率大于30 kHz時的特殊要求。舊版安全標(biāo)準(zhǔn)《信息技術(shù)設(shè)備 安全 第1部分:通用要求》(GB 4943.1—2011)和《音頻、視頻及類似電子設(shè)備 安全要求》(GB 8898—2011)盡管考慮了大于30 kHz的情況,但只是說明未得到另外的數(shù)據(jù)之前,可以與小于等于30 kHz的情況使用相同的要求[1-2]?;诖?,本文對新版安全標(biāo)準(zhǔn)《音視頻、信息技術(shù)和通信技術(shù)設(shè)備 第1部分:安全要求》(GB 4943.1—2022)中頻率大于30 kHz的絕緣要求,結(jié)合開關(guān)電源內(nèi)的隔離變壓器進(jìn)行具體分析,為試驗(yàn)室檢測及企業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供參考和幫助。

        1 頻率大于30 kHz時的特殊要求

        1.1 電氣間隙和爬電距離限值確定過程中需要考慮基頻高于30 kHz的情況

        電氣間隙是以承受所要求的沖擊耐受電壓來確定的。新版安全標(biāo)準(zhǔn)《音視頻、信息技術(shù)和通信技術(shù)設(shè)備 第1部分:安全要求》(GB 4943.1—2022)中,在使用程序1確定最小電氣間隙的數(shù)值時,電壓頻率大于30 kHz是確定最小電氣間隙需要考慮的因素之一。

        程序1主要使用跨在電氣間隙上的工作電壓的峰值、重復(fù)性峰值(如果有的話)、暫態(tài)過電壓三者中的最高值通過查表10(電壓頻率不超過30 kHz對應(yīng)的最小電氣間隙)和表11(電壓頻率超過30 kHz對應(yīng)的最小電氣間隙),使用較大值來確定最小電氣間隙的值[5]。

        以常見的開關(guān)電源變壓器初次級引腳間的加強(qiáng)絕緣為例,污染等級2,預(yù)定僅在海拔2 000 m及以下使用,目前開關(guān)電源與電網(wǎng)電源連接的電路電壓一般不會超過250 V,因此認(rèn)為暫態(tài)過電壓值是2 000 V峰值,電壓頻率為工頻,因此查表10可得電氣間隙為2.54 mm。從實(shí)際檢測結(jié)果來看,跨接在開關(guān)電源變壓器初次級引腳間的電壓大部分不大于800 Vp,當(dāng)該電壓頻率大于30 kHz,查表11可得電氣間隙為0.44 mm。由于0.44<2.54,因此取2.54 mm為其最小電氣間隙值。

        因此,在一般情形下,還是以不超過30 kHz電壓查得的數(shù)值作為電氣間隙限值。只有當(dāng)電壓頻率大于30 kHz且電壓峰值在1 000 V以上時,才可能使用大于30 kHz的電壓查得的數(shù)值作為電氣間隙限值。

        爬電距離是以作用在跨接爬電距離兩端的長期電壓有效值為基礎(chǔ)來確定的。新版安全標(biāo)準(zhǔn)《音視頻、信息技術(shù)和通信技術(shù)設(shè)備 第1部分:安全要求》(GB 4943.1—2022)中,確定最小爬電距離的數(shù)值時,當(dāng)頻率小于等于30 kHz,通過查表17來確定最小爬電距離的值。頻率超過30 kHz但小于等于400 kHz時,通過查表18來確定最小爬電距離的值。頻率超過400 kHz時,在未得到另外的數(shù)據(jù)之前,可以使用頻率400 kHz及以下的爬電距離的要求[5]。

        以常見的開關(guān)電源變壓器初次級引腳間的加強(qiáng)絕緣為例。從實(shí)際檢測結(jié)果來看,跨接在開關(guān)電源變壓器初次級引腳間的電壓大部分不大于500 Vrms,假定材料組別為Ⅲb,污染等級2,當(dāng)頻率小于等于30 kHz時,通過查表17可得爬電距離為5.0 mm,加強(qiáng)絕緣限值為5.0×2=10.0 mm。當(dāng)頻率超過30 kHz小于400 kHz時,通過查表18可得爬電距離為0.23 mm,加強(qiáng)絕緣限值為0.23×1.2×2=0.552 mm。由于表18中給出的數(shù)據(jù)未考慮電痕化現(xiàn)象的影響,如果要考慮這點(diǎn),需要考慮表17,因此如果表18的數(shù)值小于表17的數(shù)值,則使用表17的數(shù)值。0.552<10.0,所以10.0 mm是其爬電距離限值。

        可見,即便是在工作頻率大于30 kHz時,一般依然以頻率小于等于30 kHz的表17來確定爬電距離限值。

        1.2 頻率高于30 kHz時的固體絕緣的要求

        固體絕緣的電氣強(qiáng)度比空氣中的絕緣的電氣強(qiáng)度要大出許多,固體絕緣的擊穿場強(qiáng)要比暴露在空氣中的電氣間隙的場強(qiáng)最少高出一個數(shù)量級。在實(shí)際應(yīng)用中,固體絕緣較高的擊穿場強(qiáng)并沒有得到充分利用[3]。

        因?yàn)楣腆w絕緣本身可能存在氣泡或空隙,這可能是不同的絕緣層間,絕緣器件與導(dǎo)電器件之間的界面引起,或者由于絕緣材料的制造工藝存在缺陷,對于這些空隙即便不至引發(fā)熱擊穿,其內(nèi)部的局部放電現(xiàn)象仍可導(dǎo)致固體絕緣失效。因?yàn)楫?dāng)電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于擊穿電壓時即可發(fā)生局部放電現(xiàn)象,在空隙內(nèi)局部放電發(fā)生的過程中,由于發(fā)生了空氣擊穿現(xiàn)象,形成了較低的擊穿場強(qiáng),使得間隙內(nèi)的氣體在較短的時間內(nèi)形成導(dǎo)電性,這樣絕緣性能就由固體絕緣的其余部分繼續(xù)維持。當(dāng)施加交流電壓應(yīng)力時,由于容性電壓分布以及固體絕緣的較高介電常數(shù)的作用,電壓大部分被施加到充滿氣體的孔穴上。而固體絕緣不是一種可恢復(fù)的絕緣介質(zhì),在其使用壽命內(nèi)所承受的所有應(yīng)力以及由此造成的損傷是累積性的。試驗(yàn)顯示,即使在施加工頻電壓時,局部放電現(xiàn)象也會在較短的時間內(nèi)造成極大的破壞。長此以往,最終會造成系統(tǒng)內(nèi)幾乎所有固體絕緣材料的損壞[3]。

        固體絕緣的失效機(jī)制有兩種。一種是因過高的電壓應(yīng)力造成的介電損失,另一種是因?yàn)榘l(fā)熱量不斷增大,直至熱不穩(wěn)定和熱擊穿的出現(xiàn)。施加在固體絕緣上的應(yīng)力可分為短期和長期兩種。短期應(yīng)力受發(fā)熱和電壓頻率的影響,發(fā)熱主要影響材料的機(jī)械性能,而電壓頻率的影響最為直接,施加在固體絕緣上的電壓頻率會極大地影響該絕緣的電氣強(qiáng)度,頻率的升高會降低大部分固體絕緣材料的電氣強(qiáng)度,使得固體絕緣的絕緣性能下降[3]。

        對不同絕緣材料的高頻擊穿特性的研究發(fā)現(xiàn),當(dāng)頻率為1 MHz時,短時擊穿場強(qiáng)Eb僅為工頻時擊穿場強(qiáng)值的10%。擊穿場強(qiáng)值隨著頻率的增加持續(xù)下降,當(dāng)電壓頻率到達(dá)100 MHz時,仍然在保持下降趨勢,如圖1所示[4]。

        圖1 固體絕緣的高頻擊穿d=0.75 mm

        《音視頻、信息技術(shù)和通信技術(shù)設(shè)備 第1部分:安全要求》(GB 4943.1—2022)標(biāo)準(zhǔn)中,第5.4.4.9條款給出了頻率高于30 kHz時的固體絕緣的要求。固體絕緣是否符合要求,按照圖2所示的流程圖來確定。具體步驟如下:

        圖2 頻率高于30 kHz時的固體絕緣測試流程圖

        第一步,確定絕緣材料在電網(wǎng)電源供電頻率下的擊穿電場強(qiáng)度值EP(單位為kV·mm-1有效值);

        第二步,根據(jù)《音視頻、信息技術(shù)和通信技術(shù)設(shè)備 第1部分:安全要求》(GB 4943.1—2022)中表21和表22確定擊穿電場強(qiáng)度的減小系數(shù)KR;

        表2 絕緣材料的實(shí)際抗電強(qiáng)度VW的確定

        第三步,根據(jù)EP和KR的乘積得出適用頻率下的擊穿電場強(qiáng)度值EF;

        第四步,通過EF和絕緣材料的總厚度d(單位為mm)的乘積得出實(shí)際抗電強(qiáng)度VW;

        第五步,根據(jù)絕緣類型確定VW的抗電強(qiáng)度試驗(yàn)電壓是否大于相應(yīng)的高頻工作電壓峰值的倍數(shù)從而得出使用的固體絕緣是否適當(dāng)?shù)慕Y(jié)論。

        作為以上方法的替代,可以按照《音視頻、信息技術(shù)和通信技術(shù)設(shè)備 第1部分:安全要求》(GB 4943.1—2022)中5.4.9.1條款進(jìn)行抗電強(qiáng)度試驗(yàn),電網(wǎng)電源頻率進(jìn)行試驗(yàn)的電壓應(yīng)為:對基本絕緣,1.2×VPW/KR;對加強(qiáng)絕緣,1.2×2×VPW/KR??闺姀?qiáng)度的測試中,該固體絕緣不能出現(xiàn)擊穿。

        開關(guān)電源變壓器常用的骨架材料一般有電木(化學(xué)名稱酚醛塑料,是變壓器中最常用的材料,如長春T373J、T375J,住友PM9820、PM9630等)、阻燃尼龍?jiān)希ɑ瘜W(xué)名稱聚酰胺)、阻燃PET塑膠原料(化學(xué)名稱聚對苯二甲酸乙二醇酯)以及阻燃PBT塑膠原料(化學(xué)名稱聚對苯二甲酸丁二醇酯)等。

        開關(guān)電源變壓器常用的絕緣膠帶材料一般有環(huán)氧膠帶、聚酸亞胺膠帶、聚四氟乙烯膠帶、乙烯樹脂膠帶、聚酯薄膜、強(qiáng)化纖維膠帶、合成物薄膜、玻璃布以及乙醋酸布等。

        對開關(guān)電源變壓器頻率高于30 kHz時的固體絕緣進(jìn)行舉例分析:已知變壓器測得最高工作頻率為93 kHz,工作電壓有效值為264 V,峰值為520 V,骨架材質(zhì)為酚醛,加強(qiáng)絕緣,厚度為0.8 mm,使用2層絕緣膠帶,加強(qiáng)絕緣,單層絕緣膠帶厚度為0.025 mm,絕緣膠帶材質(zhì)為聚乙烯。基于此,絕緣材料的實(shí)際抗電強(qiáng)度VW的確定如表2所示。

        作為上述判定的一種替代方法,抗電強(qiáng)度試驗(yàn)電壓確定如表3所示。

        表3 替代方法電強(qiáng)度試驗(yàn)電壓確定

        按要求對骨架和絕緣膠帶進(jìn)行相應(yīng)電壓的抗電強(qiáng)度試驗(yàn)時,不得出現(xiàn)絕緣擊穿現(xiàn)象,試驗(yàn)通過即認(rèn)為絕緣符合要求。由制造商規(guī)定使用哪種試驗(yàn)方法或合格判據(jù)。

        2 結(jié) 語

        電子產(chǎn)品新版安全標(biāo)準(zhǔn)《音視頻、信息技術(shù)和通信技術(shù)設(shè)備 第1部分:安全要求》(GB 4943.1—2022)增加了頻率高于30 kHz絕緣相關(guān)安全測試的要求。本文通過對頻率高于30 kHz的絕緣要求及開關(guān)電源用變壓器的實(shí)際應(yīng)用實(shí)例進(jìn)行詳細(xì)分析,為電子產(chǎn)品中涉及高頻絕緣器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)室檢測工作提供借鑒和幫助。

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