干扰隔离（共3篇）
干扰隔离 篇1
摘要：光电耦合技术主要是为了解决模拟电路和数字电路的集成、交叉应用时的相互干扰问题, 同时具有信号整形、降低误操作等功能。因此, 研究光电耦合技术的特性及应用十分重要。
关键词：耦合器件,光电隔离,抗干扰性,计算机接口
在实际的电子电路系统中, 不可避免地存在各种各样的干扰信号, 若电路的抗干扰能力差将导致测量、控制准确性的降低, 产生误动作, 从而带来破坏性的后果。事实证明, 采用隔离技术是破坏“地”干扰途径的抗干扰方法, 硬件上常用光电耦合器件实现电→光→电的隔离, 他能有效地破坏干扰源的进入, 可靠地实现信号的隔离, 并易构成各种功能状态。
1 光电耦合器件简介
光电耦合器件是把发光器件和光敏器件组装在一起, 通过光线实现耦合, 构成电——光和光———电的转换器件如图1。光电耦合器之所以在传输信号的同时能有效地抑制尖脉冲和各种噪声干扰, 主要有以下几方面的原因:
1) 光电耦合器的输入阻抗很小, 只有几百欧姆, 而干扰源的阻抗较大, 通常为105～106Ω, 干扰电压没有足够的能量使二极管发光, 从而被抑制掉了。
2) 光电耦合器的输入回路与输出回路之间没有电气联系, 因此回路一边的各种干扰噪声都很难通过光电耦合器馈送到另一边去, 避免了共阻抗耦合的干扰信号的产生。
3) 光电耦合器的响应速度非常快, 其响应延迟时间只有10μs左右。
2 光电隔离技术的应用
2.1 微机接口电路中的光电隔离
微机接收来自远处设备传来的状态信号, 处理后输出各种控制信号去执行相应的操作。在现场环境较恶劣时, 会存在较大的噪声干扰, 会使控制准确性降低, 产生误动作。因而, 可在微机的输入和输出端, 用光耦作接口, 对信号及噪声进行隔离。如图2:主要应用在“A/D转换器”的数字信号输出, 及由CPU发出的对前向通道的控制信号与模拟电路的接口处, 从而实现在不同系统间信号通路相联的同时, 在电气通路上相互隔离, 并在此基础上实现将模拟电路和数字电路相互隔离, 起到抑制交叉串扰的作用。
2.2 功率驱动电路中的光电隔离
在微机控制系统中, 晶闸管所在的主电路一般是交流强电回路, 电压较高, 电流较大, 不易与微机直接相连, 可应用光耦合器将微机控制信号与晶闸管触发电路进行隔离, 如图3。
在马达控制电路中, 也可采用光耦来把控制电路和马达高压电路隔离开, 功率管的开关控制信号和大功率管之间需隔离放大级。在光耦隔离级———放大器级———大功率管的连接形式中, 要求光耦具有高输出电压、高速和高共模抑制。
2.3 远距离的隔离传送
在计算机应用系统中, 由于测控系统与被测和被控设备之间不可避免地要进行长线传输, 信号在传输过程中很易受到干扰, 导致传输信号发生畸变或失真。为确保长线传输的可靠性, 可采用光电耦合隔离措施如图4:将2个电路的电气连接隔开, 切断可能形成的环路, 提高电路系统的抗干扰性能。若传输线较长, 现场干扰严重, 可通过两级光电耦合器将长线完全“浮置”起来。这样不但有效消除了各电路的电流经公共地线时所产生噪声电压形成相互窜扰, 而且也有效地解决了长线驱动和阻抗匹配问题。
3 注意事项
在光电耦合器的输入部分和输出部分必须分别采用独立的电源。当用光电耦合器来隔离输入输出通道时, 必须对所有的信号全部隔离, 否则这种隔离是没有意义的。
参考文献
[1]浦昭邦, 王宝光等.测控仪器设计[M].北京:机械工业出版社, 2001.
[2]徐仁贵, 廖哲智.单片微型计算机应用技术[M].北京:机械工业出版.
馈线引入的干扰及电路隔离技术 篇2
一、模拟电路的隔离
模拟电路的隔离主要采用变压器隔离、互感器隔离、直流电压隔离器隔离、线性隔离放大器隔离。
一台模拟电子设备, 通常包含供电系统, 模拟信号产生、变换、传输和接收系统。而供电系统又可分为交流供电系统和直流供电系统, 交流供电系统主要采用变压器隔离, 直流供电系统主要采用直流电压隔离器隔离。模拟信号产生、变换、传输和接收系统相对来说比较复杂, 既要考虑其精度, 频带宽度的因素, 又要考虑其生产、使用的经济因素;对于高电压、大电流信号, 一般采用互感器 (电压互感器、电流互感器) 隔离法, 近年来, 又出现了霍尔变送器, 这些元器件都是高电压、大电流信号测量常规使用的元器件;对于微电压、微电流信号, 一般采用线性隔离放大器。
1. 供电系统的隔离
(1) 交流供电系统的隔离
由于交流电网中存在着大量的谐波、雷击浪涌、高频干扰等噪声, 所以对由交流电源供电的控制装置和电子电气设备, 都应采取抑制来自交流电源干扰的措施。采用电源隔离变压器, 可以有效地抑制窜入交流电源中的噪声干扰。但是, 普通变压器却不能完全起到抗干扰的作用, 这是因为, 虽然一次绕组和二次绕组之间是绝缘的, 能够阻止一次侧的噪声电压、电流直接传输到二次侧, 有隔离作用。然而, 由于分布电容 (绕组与铁心之间, 绕组之间, 层匝之间和引线之间) 的存在, 交流电网中的噪声会通过分布电容耦合到二次侧。为了抑制噪声, 必须在绕组间加屏蔽层, 这样就能有效地抑制噪声, 消除干扰, 提高设备的电磁兼容性。随着技术的进步, 现已研制成功了专门抑制噪声的隔离变压器 (Noise Cutout Transformer, 简称NCT) , 这是一种绕组和变压器整体都有屏蔽层的多层屏蔽变压器。这类变压器的结构, 铁芯材料, 形状及其线圈位置都比较特殊, 它可以切断高频噪声漏磁通和绕组的交链, 从而使差模噪声不易感应到二次侧, 故这种变压器既能切断共模噪声电压, 又能切断差模噪声电压, 是比较理想的隔离变压器。
(2) 直流供电系统的隔离
当电子电气设备的内部电路之间需要相互隔离时, 它们各自的直流供电电源间也应该相互隔离, 其隔离方式如下:第一种是在交流侧使用隔离变压器, 如图1 (a) 所示;第二种是使用直流电压隔离器 (即DC/DC变换器) , 如图1 (b) 所示。
2. 模拟信号产生、变换、传输和接收系统的隔离
对于具有直流分量和共模噪声干扰比较严重的场合, 在模拟信号的测量中必须采取措施, 使输入与输出完全隔离, 彼此绝缘, 消除噪声的耦合。隔离对系统有如下好处:防止模拟系统干扰, 尤其是电力系统的接地干扰进入逻辑系统, 导致逻辑系统的工作紊乱;在精密测量系统中, 防止数字系统的脉冲波动干扰进入模拟系统, 尤其是前置放大部分, 因为前置放大部分的信号非常微弱, 较小的骚扰波动信号就会把有用信号淹没。
(1) 高电压、大电流信号的隔离
高电压、大电流信号采用互感器隔离, 其抑制噪声的原理与隔离变压器类似, 这里不再赘述。互感器隔离的应用如图2 (a) 所示。
(2) 微电压、微电流信号的隔离
微电压、微电流模拟信号的隔离系统相对来说比较复杂, 既要考虑其精度, 频带宽度的因素, 又要考虑其价格因素。一般情况下, 对于较小量的共模噪声, 采用差动放大器或仪表放大器就能够取得良好的效果, 但对于具有较大量的共模噪声, 且测量精度要求比较高的场合, 应该选择高精度线性隔离放大器。
二、数字电路的隔离
数字电路的隔离主要有:脉冲变压器隔离、继电器隔离、光电耦合器隔离、光纤隔离等。其中数字量输入隔离方式主要采用脉冲变压器隔离、光电耦合器隔离;而数字量输出隔离方式主要采用光电耦合器隔离、继电器隔离、高频变压器隔离。与模拟系统类似, 一套控制装置, 或者一台电子电气设备, 通常所包含的数字系统有:数字信号输入系统, 数字信号输出系统。数字量输入系统主要采用脉冲变压器隔离, 光电耦合器隔离;而数字量输出系统主要采用光电耦合器隔离, 继电器隔离, 个别情况也可采用高频变压器隔离。
1. 光电耦合器隔离
这种隔离方法是用光电耦合器把输入信号与内部电路隔离开来, 或者是把内部输出信号与外部电路隔离开来, 如图3 (a) 、 (b) 所示。
目前, 大多数光电耦合器件的隔离电压都在2.5k V以上, 有些器件达到了8k V, 既有高压大电流大功率光电耦合器件, 又有高速高频光电耦合器件 (频率高达10MHz) 。
2. 脉冲变压器隔离
脉冲变压器的匝数较少, 而且一次绕组和二次绕组分别绕于铁氧体磁芯的两侧, 这种工艺使得它的分布电容特小, 仅为几个p F, 所以可作为脉冲信号的隔离元件。脉冲变压器传递输入、输出脉冲信号时, 不传递直流分量, 因而在微电子技术控制系统中得到了广泛的应用。一般来说, 脉冲变压器的信号传递频率在1k Hz~1MHz之间, 新型的高频脉冲变压器的传递频率可达到10MHz。图4 (a) 是脉冲变压器的示意图。脉冲变压器主要用于晶闸管 (SCR) 、大功率晶体管 (CTR) 、IGBT等可控器件的控制隔离中。图4 (b) 是脉冲变压器的应用实例。
3. 继电器隔离
继电器是常用的数字输出隔离元件, 用继电器作为隔离元件简单实用, 价格低廉。下图是继电器输出隔离的实例示意图。在该电路中, 通过继电器把低压直流与高压交流隔离开来, 使高压交流侧的干扰无法进入低压直流侧。
三、模拟电路与数字电路之间的隔离
一般来说, 模拟电路与数字电路之间的转换通过模数转换器 (A/D) 或数模转换器 (D/A) 来实现。但是, 若不采取一定的措施, 数字电路中的高频振荡信号就会对模拟电路带来一定的干扰, 影响测量的精度。为了抑制数字电路对模拟电路带来的高频干扰, 一般须将模拟地与数字地分开布线, 参见图5 (a) 。这种布线方式不能彻底排除来自数字电路的高频干扰, 要想排除来自数字电路的高频干扰, 必须把数字电路与模拟电路隔离开来, 常用的隔离方法是在A/D转换器与数字电路之间加入光电耦合器, 把数字电路与模拟电路隔离开, 参见图5 (b) 。但这种电路还不能从根本上解决模拟电路中的干扰问题, 仍然存在着一定的缺陷, 这是因为信号电路中的共模干扰和差模干扰没有得到有效的抑制, 对于高精密测量的场合, 还不能满足要求。对于具有严重干扰的测量场合, 可采用图5 (c) 所示的电路。在该电路中, 把信号接收部分与模拟处理部分也进行了隔离, 因为在前置处理级与模数转换器 (A/D) 之间加入线性隔离放大器, 把信号地与模拟地隔开, 同时在模数转换器 (A/D) 与数字电路之间采用光电耦合器隔离, 把模拟地与数字地隔开, 这样一来, 既防止了数字系统的高频干扰进入模拟部分, 又阻断了来自前置电路部分的共模干扰和差模干扰。当然, 这种系统的造价较高, 一般只用于高精度的测量系统中。
数模转换 (D/A) 电路的隔离与模数转换 (A/D) 电路的隔离类似, 因而所采取的技术措施也差不多, 图5 (d) 是数模转换 (D/A) 电路的隔离方法之一。
参考文献
[1]蔡建国, 杨忠旭.电子设备结构与工艺[M].武汉:湖北科学技术出版社, 2003.
[2]邱川弘.电子技术基础操作[M].北京:电子工业出版社, 1998.
[3]盛菊仪.电子产品的工艺管理及技术[M].北京:高等教育出版社, 2000.
干扰隔离 篇3
关键词：非隔离光伏并网逆变器,共模电流,共模干扰抑制,全桥逆变,H6桥逆变
随着光伏电池的快速发展, 光伏并网逆变系统发展也越来越快。光伏发电作为新兴绿色能源, 从一定程度上缓解了公用电网超大负荷的压力, 成为改善传统电力能源结构的一大亮点。但由于光伏逆变控制技术还处于不断完善中, 光伏并网逆变系统内部含有电力开关器件, 较高的开关频率会导致电磁辐射干扰, 致使逆变输出电流中不可避免地含有大量谐波, 若不加以控制, 则存在污染电网的隐患。因此, 各国对光伏并网逆变系统的电磁兼容性能均有明确要求。相关认证有:欧盟CE认证、加拿大CSA认证、美国UL认证、澳洲CEC认证和中国金太阳认证等。
光伏并网逆变系统的核心光伏并网逆变器主要有带变压器的隔离逆变器和不带变压器的非隔离逆变器两种类型。非隔离并网逆变器由于其体积小、质量轻、效率高等优点被广泛应用于光伏并网逆变系统中。但由于非隔离并网逆变器不带变压器, 导致光伏阵列与电网没有电气隔离, 给共模电流形成了回路, 容易导致EMC干扰与安全隐患。
1 共模电流形成的原因
影响非隔离型光伏并网逆变器EMC性能的因素有共模干扰、高频开关管和高频开关电源产生的开关噪声, 其中影响最大的是共模干扰, 而共模干扰又是形成共模电流 (即漏电流) 的最主要的原因[1]。图1所示, 光伏阵列与地之间存在着寄生电容, 而寄生电容C、滤波器元件L、电网阻抗R形成了共模谐振电路, 在寄生电容上变化的共模电压可以激励这个共模谐振电路从而形成共模电流[2]。而非隔离型光伏并网逆变器不带变压器, 光伏阵列与电网之间没有电气隔离, 正好给这个共模电流形成了回路, 易产生EMC干扰并存在安全隐患[3]。
2 共模分析
2.1 全桥逆变共模分析
如图2所示, 光伏阵列与逆变器输出端 (即电网) 没有直接的电气隔离, 所以光伏阵列对地寄生电容等同于逆变器输出端对地寄生电容, 寄生电容的大小由直流源和环境因素决定[4,5], 在光伏系统中, 寄生电容的大小一般为微法到毫法量级。Udc为光伏阵列电压Upv经过boost升压后的电压, ucm为寄生电容Cp两端的电压, ug为电网电压, uao、ubo分别为逆变器输出端a、b对接地端O的电压, icm为回路中的共模电流。
由基尔霍夫电压定律可得:
由式 (1) 和 (2) 可得:
共模电流icm的大小与共模电压的变化率成正比例关系:
由于电网频率为50 Hz, 电网电压变化率引起的共模电流很小, 可以忽略, 所以共模电流icm的大小可以表示为:
因此, 决定共模电流的共模电压ucm可以近似表示为:
而由式 (5) 可知, 共模电流的大小主要由输出线对地电压之和的变化率决定。因此, 要抑制共模电流, 应尽量控制共模电压为一定值, 即:
对于单相全桥逆变, 常用的调制方式有单极性调制与双极性调制;对于使用单极性调制的电路, 逆变拓扑结构一般有全桥拓扑和H6桥拓扑。以下对这3种情形一一进行分析比较。
2.1.1 全桥逆变单极性调制共模分析
单极性调制下各个开关管的驱动波形如图3所示。
在电网的正半周期时, V4长期导通。当V1导通时, 电流的回路为:V1-L1-Grid-L2-V4, 此时共模电压ucm为:
当V1关断时, 开关管V2的反并联二极管起续流作用, 可以看作V2导通。此时电流回路为:L1-Grid-L2-V4-V2, 共模电压ucm为:
由式 (8) 和 (9) 可知, 在电网的正半周期, 共模电压ucm随着开关管V1的开关状态迅速变化, 幅值在零与0.5Udc之间来回变化, 这个电压变化率会对寄生电容进行快速充放电从而形成共模电流。
2.1.2 全桥逆变双极性调制共模分析
双极性调制下各个开关管的驱动波形如图4所示。
当开关管V1、V4导通时, V2、V3关断, 此时电流回路为:V1-L1-Grid-L2-V4, 共模电压ucm为:
当开关管V2、V3导通时, V1、V4关断。此时电流回路为:V3-L1-Grid-L2-V2, 共模电压ucm为:
由式 (10) 和 (11) 可知, 在一个开关周期内, 共模电压ucm都为0.5Udc, 而Udc的变化率很小, 说明双极性调制的全桥拓扑共模电压几乎恒定不变。
2.2 六桥逆变单极性调制共模分析
H6桥拓扑结构如图5所示。单极性调制各个开关管的驱动波形如图6所示。
在电网的正半周期, V2始终导通。当V1、V6导通时, 电流回路为V1-V2-L2-Grid-L1-V6, 此时共模电压ucm为:
当开关管V1、V6关断时, 经过二极管D3进行续流, 电流回路为L1-D3-V2-L2-Grid, 此时共模电压ucm为:
由式 (12) 和 (13) 可知, 在一个开关周期内, 共模电压ucm都保持为0.5Udc, 共模干扰得到了很好的抑制。
从以上的分析可知, 全桥逆变单极性调制存在着很大的共模干扰, 抑制这种共模干扰最有效的两种方式是改变调制方式与拓扑结构, 即改为全桥逆变双极性调制以及六桥逆变单极性调制方式。通过分析得知这两种情形都能很好地抑制共模干扰[6,7]。以下通过实验验证这一思路。
3 共模电流抑制对比测试
3.1 全桥逆变单极性与双极性调制共模电流测试对比
以一款3 k W非隔离型光伏并网逆变器为实验平台, 拓扑结构为全桥逆变, 工作在满载 (即3 k W) 的情况下对共模电流进行测试。测试实验结果如图7所示。
由图7 (a) 可知, 全桥逆变器在单极性调制下存在较大的共模电流, 大小为102 m A。这是由于在单极性模式下, 共模电压随着开关管的高频动作而周期性地改变, 使光伏阵列与大地间的寄生电容周期性地充放电而产生了较大的共模电流。
由图7 (b) 可知, 全桥逆变在双极性调制下的共模电流大小为61 m A。这是因为与单极性调制相比, 由于双极性调制的特殊开关形式, 使寄生电容两端共模电压恒为定值, 从而使共模电流得到很好的抑制。
3.2 H6桥逆变与全桥逆变在单极性调制下共模电流测试对比
以一款5 k W非隔离型光伏并网逆变器为实验平台, 拓扑结构为H6桥逆变, 为了与全桥逆变拓扑结构形成对比, 使其输出功率为3 k W。共模电流测试波形如图8所示。
由图8 (b) 可知, H6桥单极性调制下共模电流大小为32 m A。这是由于H6桥拓扑借助了逆变电路的开关管关断阻抗高的特性, 阻断了寄生电容的放电, 从而使共模电流得到了很好的抑制。共模电流测试情况如表1所示。
由以上数据可知, 全桥逆变单极性调制模式的共模电流较大, 全桥逆变双极性调制模式和H6桥单极性调制模式下的共模电流都能较好地抑制共模电流, 尤以H6桥逆变单极性调制抑制共模电流效果最佳。
本文分析了单相非隔离型光伏并网逆变器共模电流的产生机理, 比较了不同调制策略在全桥逆变拓扑结构上共模电流的差异以及同一调制策略在不同拓扑结构上共模电流的差异, 通过实验验证了全桥逆变双极性调制以及H6桥逆变单极性调制都能很好地抑制共模干扰。
参考文献
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