1.1 隔离技术概述

1.1.1 电气隔离基本概念

图1-1所示为某高压大电流光控固体放电开关的组成框图，该系统主要由放电开关 [含驱动板，它受制于MCU（微控制器）控制]、状态量采集板（模拟板）、数字I/O板、电源板、通信+显示板和电源板，以及存储模块、温湿度模块和编程口模块等。其中放电开关属于强电环节（GND₁为其参考电位），数字I/O板、电源板、通信+显示板和电源板，以及存储模块、温湿度模块和编程口模块均属于弱电环节（GND₂为其参考电位），而状态量采集板和驱动板却是连接于强电环节与弱电环节的中间环节。如果两者电位相差悬殊，就会形成接地环路，毕竟它们之间会存在两处或更多接地电阻不相等的位置，这势必会导致过程信号（如反应状态的模拟弱信号、部分控制信号等）的失真。

图1-1中所示的光控固体放电开关，为了要适应额定工作电压数十kV、额定电流数十kA的工作要求，既要为放电开关发送驱动脉冲，还要实时获取放电开关的电压、电流和温度等关键状态，与此同时，还要随时上传状态给显示模块，这就是一个信息流（弱信号）控制功率流（强电）的典型装置。因此，就需要借助隔离器件（如光电耦合、继电器、变压器和光纤等方式），实现有效电气隔离，图1-1中的虚线框所示的隔离带，它是基于电气电路隔离技术。

当然，若系统中所有二次仪表、测试设备中的信号都采用共同参考点时，即各个部分有一个共同参考地（即GND₁和GND₂短接）时，信号的传输就不会失真，此时所有的设备、仪表的信号参考点之间电位差为零。然而，这只是理想状态下，因为对于不同的仪器和设备而言，要将它们的接地电阻做到全都相等那是几乎不可能的，由于传输距离的拉大，其接地电阻也随之增加，这时两个参考地之间的电位差有可能会增加并达到数百V甚至数千V。解决该类问题最直接的方法就是采取电气隔离措施。因此，隔离已经成为PEE设计中必不可少的技术，如何选择隔离器件成为这类设备的工程师设计时需要面对的重要问题，所以开展这方面的研究工作就显得特别有意义。

电气隔离（Galvanic Isolation），就是将电源与用电回路做电气上的隔离，即将用电的分支电路与整个电气系统隔离，如图1-2所示，避免电流直接从A点区域流到B点区域的方式（或者相反方向流动），使之成为一个在电气上被隔离的、独立的不接地安全系统，以防止在裸露导体故障带电情况下发生间接触电危险。虽然电流无法直接流过，但能量或是信息仍可以经由其他方式传递，例如电磁感应或电磁波，或是利用光学、声学以及机械方式继续传输。

一般在以下两种情况时会考虑采用电气隔离技术：

1）在有可能存在损坏设备或危害人员的潜在电流浪涌场合，如电机控制、通信总线隔离和驱动脉冲等方面，就需要采取隔离手段。

2）必须避免存在不同参考电位和分裂的接地回路互连的场合，它常用在两个电路的接地在不同电势，但彼此需要交换信息或是能量的情况。由于隔离措施让两个电路可以不共用接地导体，从而避免不需要的电流在两个电路之间流动，也就切断了接地回路。

上述两种情况都是采用隔离来避免电流流过，而允许两点之间有数据或功率传送。电路隔离的主要目的就是通过隔离元器件把噪声干扰的路径切断，从而达到抑制噪声干扰的效果，使电气设备、电子设备均符合电磁兼容要求。

在PEE系统里面，可控型功率器件的驱动信号，是唯一能够改变功率输出的因素。连接驱动信号的一侧为功率器件，相应的功率器件置于功率主电路中，承受高电压、大电流的连续冲击；连接驱动信号的另一侧为MCU模块（如由DSP或ARM及其外围电路等组成），由于MCU模块包括它的相应外围电路都是属于弱电范畴，高压侧的电压波动、PWM斩波控制，都会不可避免地产生电磁干扰，如果不采取合理的措施，势必对MCU的程序正常运行产生影响，严重时会损坏它们。因此，在电力电子驱动电路设计过程中，往往采用隔离驱动技术，使得低压侧和高压侧不存在电气互联特性，切断高压侧电气干扰的途径，以保证微控制器在恶劣的电磁环境中稳定可靠地工作，提高电力电子装置系统的可靠性。

由此可见，电气隔离电路，就是通过使用隔离器件（如光电耦合、继电器、变压器、光纤、电流互感器、电压互感器、霍尔电流传感器和霍尔电压传感器等方式），实现有效电气隔离的一种电路。基于电气电路隔离技术，设计工程师可将输入、输出电气量在使用过程中的各项噪声干扰路径，在最短时间内进行有效切断，使电磁噪声最大限度得到抑制。

1.1.2 电气隔离的作用

电气隔离的重大作用旨在减少两个不同的电路之间的相互干扰。例如，某个实际电路工作的环境较差，容易造成接地等故障。如果不采用电气隔离，直接与供电电源连接，一旦该电路出现接地故障，整个装置就可能受其影响而不能正常工作。采用电气隔离后，当该电路接地出现故障时，并不会影响整个装置的工作，同时还可以通过绝缘监测装置检测该电路对地绝缘状况，一旦该电路发生接地故障，可以及时发出警报，提醒操作人员及时维修或处置，避免保护装置跳闸停电的现象发生。

图1-3所示为一种隔离式开关电源的原理框图，它由输入电源、EMI模块、整流滤波、电力电子变压器、二次侧整流滤波、输出模块和电力电子开关等组成强电环节，由状态反馈模块、CPU模块、PWM控制模块和驱动模块等组成弱电环节。

图1-3中经由状态反馈模块实时采集输出模块（负载）的包括电流、电压和温度等状态信息，实时传给CPU模块，按照既定策略控制PWM控制模块依次产生触发脉冲给驱动模块，进而控制电力电子开关，实现电能变换。因此，图1-3所示的隔离式开关电源，借助变压器将一次侧（输入电源）与二次侧（负载）隔离开来。电力电子变压器靠磁通量互相耦合，一次侧和二次侧的线圈之间没有导体使电流可以直接流过，依照工业标准，两个线圈之间的电压差可以高达数千V（隔离电压），而不会有因绝缘破坏而出现严重危害的问题。变压器可以产生一组输出，其参考点相对于接地点的电压是浮动的，所以，功率级的隔离变压器可以提升设备的安全性，人员碰到设备后，不会有电流经由人体流到大地。若一次侧与二次侧的电气系统有共同的接地点，这两个电气系统之间就没有电气隔离。

研究表明：类似于光伏充电之类的装置，它们的输入端与用户端（如蓄电池及其充电端）之间如果无电气隔离（如无变压器型拓扑），将会产生的对地漏电流，势必成为一个亟须解决的技术难题。光伏模块存在一个随外部环境变化且变化范围很大的对地寄生电容，其电容值为0.1～10nF，所以由许多光伏模块串并联构成的光伏阵列对地寄生电容就变得更大，从而可能导致相当大的对地漏电流。较大的对地漏电流一方面会严重影响变流器的工作模式，另一方面也会给人身安全带来威胁。所以，根据系统中有无变压器，光伏变换装置可分为无变压器型（Transformer-less）、工频变压器型（Line-Frequency Transformer，LFT）和高频变压器型（High-Frequency Transformer，HFT）三种。采用工频变压器型的拓扑结构，变压器置于工频电网侧，可有效阻止电流直流分量注入电网。高频变压器型中的变压器一般可放置在两个地方，如DC/AC变换器内或者DC/DC变换器内，两种方式均可有效实现电气隔离功能。LFT与HFT相比，体积大、重量重，并且价格上也无优势，因此，大多采用HFT来实现升压和隔离的功能，有效地将变换器中输出电源（如蓄电池输出端）的地线与输入电源（如光伏板）的地线可靠地隔离开来，抗共模干扰能力强。