隔离DC/DC转换器
2019-2-5
本白皮书分享减少故障原因和简化设计的指南及建议，同时附上应用示例，以帮助您更好地理解。
1.关于 DC/DC 转换器
DC/DC 转换器是可以将直流 (DC) 电压转换为另一种直流电压的电源；换句话说，它们可以像隔离变压器或者升压或降压变压器一样工作，但使用的是直流电源而不是交流 (AC) 电源。
由于变压器只能使用交流电，因此所有 DC/DC 转换器内部都是直流到交流再到直流模块：
由于变压器只能使用交流电，因此所有 DC/DC 转换器内部都是直流到交流再到直流模块：
图 1：DC/DC 转换器的基本布局
2.隔离 DC/DC 转换器
虽然 DC/DC 转换器没有输入输出隔离，但大多数 DC/DC 转换器使用内部变压器，输出与输入电气（电流）隔离。分离的输出可用于提供浮动电源，或产生不同的电压轨和/或双极性轨（图 2）。由于输出与输入隔离，输入或输出侧的基准电压可以任意选择（图 3）；例如，DC/DC 转换器可以用来改变电压极性（例如，从 +5 V 输入得到 -5 V 输出），增加电压（例如，从 +5 V 电源电压得到 +12 V 电压），或从单个电源产生双路输出（例如，从 12 V 电池得到 ±5 V 电源）。这一特性使 DC/DC 转换器用途广泛。输出相对于输入浮动也非常有用；隔离可以断开接地回路，从而消除电气系统中的噪声，输出极性可以自由选择，当然，隔离屏障是一个重要的安全元件，可用作防止电击或短路危险的保护措施。
图 2：DC/DC 电源配置示例
图 2：DC/DC 电源配置示例
3.隔离级别
有三种主要隔离级别：
那么这些定义如何转化为实际的变压器结构呢？
- 操作型或功能型（输出隔离，但没有故障保护）
- 基本型（变压器提供单一故障保护）
- 增强型（两种独立的绝缘方式提供双重故障保护）
那么这些定义如何转化为实际的变压器结构呢？
另一类变压器结构是将输入和输出绕组缠绕在绝缘线圈骨架铁芯上（图 4）。
这种方法仍然依赖于线圈周围的漆膜绝缘，但塑料骨架将导电的铁氧体芯与绕组隔离。这种方法的优点是变压器尺寸非常紧凑，可以提供更大功率，并提供高达 6 kVDC/1 s 的隔离耐压（例如，REC5/H6 系列）。
这种方法仍然依赖于线圈周围的漆膜绝缘，但塑料骨架将导电的铁氧体芯与绕组隔离。这种方法的优点是变压器尺寸非常紧凑，可以提供更大功率，并提供高达 6 kVDC/1 s 的隔离耐压（例如，REC5/H6 系列）。
图 4：骨架变压器示例
5.基本隔离
在骨架型变压器中，输入和输出绕组并未直接相互绕制，而是由独立的隔离屏（如绝缘膜）进行隔离（图 5）。
最小爬电距离和电气间隙距离也适用（参见表 1）。这种方法可用于尺寸较大的变压器，其中有足够的空间在绕组之间添加胶带或薄膜层（例如 RPA60 系列）。
最小爬电距离和电气间隙距离也适用（参见表 1）。这种方法可用于尺寸较大的变压器，其中有足够的空间在绕组之间添加胶带或薄膜层（例如 RPA60 系列）。
图 5：具有基本隔离的骨架变压器
制作基本绝缘变压器还有另一种方式，即采用壶形铁芯。在这种构造方法中，铁芯和一个绕组放置在一个充满环氧树脂的塑料壶中。装上盖子，然后通过中间的孔将第二个绕组缠绕在整个结构上。RP 系列中采用这种结构。
图 7：壶形铁芯变压器结构
图 7：壶形铁芯变压器结构
6.增强隔离
采用增强隔离时，输入和输出绕组由至少两个独立的物理隔离屏障分隔（图 8），并且变压器的爬电和电气间隙尺寸要求比基本隔离更高。具备增强隔离功能的 RECOM 转换器包括 RxxPxx/R、REC6-RW/R 以及 REM 医疗级系列。.
图 8：爬电距离增加且有双层绝缘的增强型变压器结构示例
（图中以黑色粗线显示）
图 8：爬电距离增加且有双层绝缘的增强型变压器结构示例
（图中以黑色粗线显示）
7.电气间隙与爬电距离
电气间隙是两点之间的最短距离，以点对点（电弧距离）测量。爬电距离是两点之间的最短距离，沿着表面（追踪距离）测量。
图 9：电气间隙和爬电距离定义
注意：爬电距离和电气间隙基于输入和输出电压的总和（例如，24 V±10% 输入，5 V 输出 = 31.4 VDC 工作电压），而不是主电源电压，除非转换器针对特定工作电压（例如，250 VAC）进行了规定。
变压器内部的电气间隙和爬电距离也取决于其结构：
功能设计的内部电气间隙仅等于变压器漆包线的厚度，例如 0.016 mm。桥式变压器结构的爬电距离和电气间隙等于隔离桥的厚度 (2 mm)，而壶形铁芯结构的电气间隙等于塑料壶壁厚的两倍 (0.5 mm + 0.5 mm)，但爬电距离至少为 3 mm。
使用三层绝缘线 (TIW) 或完全绝缘线 (FIW) 的增强型变压器可以满足变压器内部增强绝缘的需求，仅使用线本身，但仍需满足变压器与相邻元器件之间的电气间隙要求。标准爬电距离和电气间隙分离也适用于所有其他元器件；例如，光耦合器和桥接任何隔离间隙的 EMC 电容器...
图 9：电气间隙和爬电距离定义
| Isolation Class | Input Voltage | 15VDC / 12VAC | 36VDC / 30VAC | 75VDC / 60VAC | 150VDC / 125VAC | 300VDC / 250VAC |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 操作型/功能型* | Clearance | 0.4mm | 0.5mm | 0.7mm | 1.0mm | 1.6mm |
| Creepage | 0.8mm | 1.0mm | 1.3mm | 2.0mm | 3.0mm | |
| Clearance | 0.8mm | 1.0mm | 1.2mm | 1.6mm | 2.5mm | |
| Creepage | 1.7mm | 2.0mm | 2.3mm | 3.0mm | 4.0mm | |
| Clearance | 1.6mm | 2.0mm | 2.4mm | 3.2mm | 5.0mm | |
| Creepage | 3.4mm | 4.0mm | 4.6mm | 6.0mm | 8.0mm |
表 1：相对于输入电压的电气间隙和爬电距离的典型值
*对于功能隔离，电气间隙和爬电距离在变压器外部测量。
*对于功能隔离，电气间隙和爬电距离在变压器外部测量。
注意：爬电距离和电气间隙基于输入和输出电压的总和（例如，24 V±10% 输入，5 V 输出 = 31.4 VDC 工作电压），而不是主电源电压，除非转换器针对特定工作电压（例如，250 VAC）进行了规定。
变压器内部的电气间隙和爬电距离也取决于其结构：
功能设计的内部电气间隙仅等于变压器漆包线的厚度，例如 0.016 mm。桥式变压器结构的爬电距离和电气间隙等于隔离桥的厚度 (2 mm)，而壶形铁芯结构的电气间隙等于塑料壶壁厚的两倍 (0.5 mm + 0.5 mm)，但爬电距离至少为 3 mm。
使用三层绝缘线 (TIW) 或完全绝缘线 (FIW) 的增强型变压器可以满足变压器内部增强绝缘的需求，仅使用线本身，但仍需满足变压器与相邻元器件之间的电气间隙要求。标准爬电距离和电气间隙分离也适用于所有其他元器件；例如，光耦合器和桥接任何隔离间隙的 EMC 电容器...
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