開(kāi)關(guān)電源工作頻率高于30 kHz時(shí)的絕緣要求

許艷偉，劉 立

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

0 引 言

開(kāi)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(gè)穩(wěn)定的電壓透過(guò)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(kāi)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(kāi)關(guān)電源的初級(jí)電網(wǎng)電源交流高壓電路和次級(jí)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(kāi)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(guò)控制開(kāi)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(guò)高頻變壓器進(jìn)行變壓，次級(jí)高頻脈沖電經(jīng)過(guò)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(jí)輸出電壓通過(guò)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(jiàn)，開(kāi)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(guò)摸底測(cè)試及原理分析可以知道，在開(kāi)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(kāi)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(kāi)關(guān)電源及其變壓器的工作頻率都超過(guò)了30 kHz。

表1 開(kāi)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(huì)對(duì)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(duì)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(shí)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(shuō)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]?；诖耍疚膶?duì)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(kāi)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(cè)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(shí)的特殊要求

1.1 電氣間隙和爬電距離限值確定過(guò)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(lái)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(shí)，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(guò)電壓三者中的最高值通過(guò)查表10（電壓頻率不超過(guò)30 kHz對(duì)應(yīng)的最小電氣間隙）和表11（電壓頻率超過(guò)30 kHz對(duì)應(yīng)的最小電氣間隙），使用較大值來(lái)確定最小電氣間隙的值[5]。

以常見(jiàn)的開(kāi)關(guān)電源變壓器初次級(jí)引腳間的加強(qiáng)絕緣為例，污染等級(jí)2，預(yù)定僅在海拔2 000 m及以下使用，目前開(kāi)關(guān)電源與電網(wǎng)電源連接的電路電壓一般不會(huì)超過(guò)250 V，因此認(rèn)為暫態(tài)過(guò)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(cè)結(jié)果來(lái)看，跨接在開(kāi)關(guān)電源變壓器初次級(jí)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(guò)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(shí)，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(zhǎng)期電壓有效值為基礎(chǔ)來(lái)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(shí)，當(dāng)頻率小于等于30 kHz，通過(guò)查表17來(lái)確定最小爬電距離的值。頻率超過(guò)30 kHz但小于等于400 kHz時(shí)，通過(guò)查表18來(lái)確定最小爬電距離的值。頻率超過(guò)400 kHz時(shí)，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(jiàn)的開(kāi)關(guān)電源變壓器初次級(jí)引腳間的加強(qiáng)絕緣為例。從實(shí)際檢測(cè)結(jié)果來(lái)看，跨接在開(kāi)關(guān)電源變壓器初次級(jí)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(jí)2，當(dāng)頻率小于等于30 kHz時(shí)，通過(guò)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(guò)30 kHz小于400 kHz時(shí)，通過(guò)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(jiàn)，即便是在工作頻率大于30 kHz時(shí)，一般依然以頻率小于等于30 kHz的表17來(lái)確定爬電距離限值。

1.2 頻率高于30 kHz時(shí)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(chǎng)強(qiáng)要比暴露在空氣中的電氣間隙的場(chǎng)強(qiáng)最少高出一個(gè)數(shù)量級(jí)。在實(shí)際應(yīng)用中，固體絕緣較高的擊穿場(chǎng)強(qiáng)并沒(méi)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(duì)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(shí)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(guò)程中，由于發(fā)生了空氣擊穿現(xiàn)象，形成了較低的擊穿場(chǎng)強(qiáng)，使得間隙內(nèi)的氣體在較短的時(shí)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(shí)，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(shí)，局部放電現(xiàn)象也會(huì)在較短的時(shí)間內(nèi)造成極大的破壞。長(zhǎng)此以往，最終會(huì)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(guò)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(zhǎng)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(huì)極大地影響該絕緣的電氣強(qiáng)度，頻率的升高會(huì)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(duì)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(shí)，短時(shí)擊穿場(chǎng)強(qiáng)Eb僅為工頻時(shí)擊穿場(chǎng)強(qiáng)值的10%。擊穿場(chǎng)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(shí)，仍然在保持下降趨勢(shì)，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(shí)的固體絕緣的要求。固體絕緣是否符合要求，按照?qǐng)D2所示的流程圖來(lái)確定。具體步驟如下：

圖2 頻率高于30 kHz時(shí)的固體絕緣測(cè)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(chǎng)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(chǎng)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(chǎng)強(qiáng)度值EF；

第四步，通過(guò)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(duì)基本絕緣，1.2×VPW/KR；對(duì)加強(qiáng)絕緣，1.2×2×VPW/KR。抗電強(qiáng)度的測(cè)試中，該固體絕緣不能出現(xiàn)擊穿。

開(kāi)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(zhǎng)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(duì)苯二甲酸乙二醇酯）以及阻燃PBT塑膠原料（化學(xué)名稱聚對(duì)苯二甲酸丁二醇酯）等。

開(kāi)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(duì)開(kāi)關(guān)電源變壓器頻率高于30 kHz時(shí)的固體絕緣進(jìn)行舉例分析：已知變壓器測(cè)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?；诖耍^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(duì)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(shí)，不得出現(xiàn)絕緣擊穿現(xiàn)象，試驗(yàn)通過(guò)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(yǔ)

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(cè)試的要求。本文通過(guò)對(duì)頻率高于30 kHz的絕緣要求及開(kāi)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(cè)工作提供借鑒和幫助。