隔离式与非隔离式电源转换器

2019年12月3日 作者:Ron Stull

隔离式与非隔离式电源转换器

隔离式和非隔离式电源有何区别?

简单说来,隔离式电源转换器通过电气和物理方法将电路分隔为两个部分,把输入与输出隔离开来,从而防止输入与输出之间产生直接电流流动(通常会利用变压器实现)。非隔离式电源转换器只有一个电路,电路中的电流可以在输入和输出之间直接流动。不熟悉电源的人员会另有疑问:隔离式与非隔离式电源各有什么优势?我如何知道自己的应用需要哪一种?

隔离基础知识

电镀隔离(通常简称“隔离”)是指电路的一部分和另一部分之间的物理和电气分离。隔离的结果是,每个隔离电路都有自己的回路或接地参考。在非隔离式转换器中(如图1左侧所示),输入和输出共用接地,电流可以在它们之间流动。但在隔离式转换器中(如图1右侧所示),输入和输出返回各自的独立接地,并且相互之间没有直接输送电流的路径。

隔离和非隔离电路图
隔离和非隔离电路图
图1:非隔离式降压转换器(左),隔离式反激转换器(右)

隔离式转换器即使不允许电流在输入和输出之间流动,仍然必须将功率和信息从一侧传输到另一侧。有多种方法可以做到,但电源转换器通常依赖两种方法;通过变压器或耦合电感器的电磁场传输电力,而信号则利用信号变压器或采用光学隔离器的光学方式跨越隔离。

隔离不是绝对的。电压足够高,绝缘就会瓦解,电流即可流过。数据表通常会列出隔离电压,这是在没有电流流动的情况下,可在短时间内跨越隔离装置施加的电压。隔离额定值不可与工作电压混淆,这是可连续施加在隔离上而不发生隔离击穿的最大电压。

隔离的优势

有几种情况可能必须使用隔离式电源或借其为应用带来一些优势。这些情况包括安全合规、接地环路断路和电平转换。

安全合规

安全要求是使用隔离式电源转换器的常见原因。对于利用可能有危险的高压供电的转换器(例如通过交流电源供电的AC-DC转换器),隔离功能将输出与输入端的危险电压分隔开。

在关注安全问题时,还必须考虑隔离等级。应考量安全标准,以确定指定应用所需的绝缘级别。绝缘等级分为多种类型,包括功能、基础、补充和强化。

  • 功能绝缘: 最为简单,而且虽然它提供隔离,却不会提供任何防触电保护。
  • 基础绝缘: 只提供一个防触电保护层。
  • 补充绝缘: 基础绝缘外加一道冗余屏障。
  • 强化绝缘: 只有一层,却相当于两层基础屏障。

接地环路短路

由于隔离电源的输入和输出不共用接地,所以可以利用它们断开接地环路。噪声敏感型电路可以从中受益,可以断开接地,从而隔绝开可能引发问题的嘈杂电路。

浮动输出和电平转换

隔离转换器的另一个优势是浮动输出。尽管隔离输出的输出端子之间具有固定电压,但是相对于与之隔离的电路中的电压节点而言,它们没有确定或固定的电压,因而称为浮动电压。但是,浮动输出可以将其中一个端子连接到另一个电路节点,使其具有该节点的固定电压。可以利用这一点,相对于电路中的另一个点来转换或反转输出电压。

例如,图2显示将+Vout端子连接到输入接地端子后,就会迫使输出接地下降至低于输入接地的水平,降幅等于Vout的值。在进行此连接之前,Vin与Vout之间的电压不确定,连接之后就提供了共同的电势,使得两端相互联系起来。

反向连接电路图
图2:反向连接

如图3所示,将输出接地端子连接到+Vin端子之后,+Vout端子相对于输入接地就等于(Vin +Vout)。在这两种情况下,由于两端现在共用直接连接,因此都会失去从输入到输出的隔离。

辅助配置电路图
图3:辅助配置

具有浮动输出的多个隔离式转换器也可以串联,以提高输出电压或创建+/-电压轨,如图4所示。

正负电压轨电路图
图4:使用两个隔离式单输出制作的正负电压轨

应谨慎操作,确保输出真正产生浮动。例如,两个隔离式转换器如果有输出接地端子连接到机箱,就不再相对于彼此浮动;如果输出采用串联连接,就会跨越其中一个转换器形成短路,因为两个端子都会连接到机箱上。在AC-DC转换器中,有时会发生输出接地端子连接到地面的情况,此时即便该端子被隔离,也不再发生浮动。

非隔离的优势

尽管隔离具备许多优势,但仍然存在使用非隔离式转换器的理由,这包括成本、尺寸和性能。

节约成本

隔离式转换器常常比非隔离式转换器更昂贵。造成成本差异的主要因素是使用变压器代替电感器。变压器常常需要定制生产,而非隔离式转换器中的电感器可以购买成品。如果需要更高级别的绝缘(如安全合规所需的规格),成本还会继续增加。除变压器外,隔离式设计中还需要加装光耦合器等组件,而非隔离式设计中则无需加装。与非隔离式设计相比,所有这些加装件都增加了成本。

缩小尺寸

非隔离式转换器往往比隔离式转换器小。上述增加成本的组件占用的空间也比非隔离式设计采用的组件占用的空间多。除了用电感器代替变压器之外,非隔离式转换器还常常采用更高的切换频率运行,这就进一步缩小了磁性组件和电容器的尺寸。

效率

非隔离式转换器的效率和稳压性能也常常优于隔离式转换器。变压器和光耦合器再次成为引起性能差异的主要影响因素。没有了隔离屏障,就可以直接检测和严格控制输出,达到更好的稳压和瞬态性能。它们因为尺寸小,所以能够更加接近负载放置,以减少输电线路效应。

结论

选择隔离式还是非隔离式转换器,要取决于许多因素。某些应用出于安全原因需要隔离,另一些则可以通过断开接地环路或转换参考电压来利用浮动输出的优势。但是,如果不需要隔离,非隔离式转换器就可以降低成本、缩小尺寸和/或提高效率。了解隔离的成本和优势是选择合适转换器以实现优化设计的关键。

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Ron Stull

Ron Stull

电源系统工程师

Ron Stull自2009年加入CUI以来,在模拟和数字电源以及AC-DC和DC-DC功率转换方面积累了丰富的知识和经验。他在CUI的工程团队中发挥重要作用,其职责包括应用支持、测试和验证以及设计。在从事电力工程工作之余,Ron会与他的妻子一起弹吉他、跑步和参加户外旅行,他们的目标是游遍所有美国国家公园。

 
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