開關電源工作頻率高于30 kHz時的絕緣要求

許艷偉，劉 立

（北京泰瑞特檢測技術服務有限責任公司，北京 100015）

0 引 言

開關模式電源（Switching Mode Power Supply，SMPS）是一種高頻化電能轉換裝置，是電源供應器的一種，其功能是將一個穩定的電壓透過不同形式的架構轉換為用戶端所需的電壓或電流。與傳統的線性電源相比，開關電源的工作頻率較高，其工作頻率范圍在20～150 kHz。

為了達到安全的目的，電子產品常用的AC/DC開關電源的初級電網電源交流高壓電路和次級輸出的直流低壓電路之間需要進行絕緣隔離。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。

開關電源主要由輸入整流濾波電路、功率轉換電路、輸出整流濾波電路以及穩壓電路等組成。輸入整流濾波電路主要是將交流電整流變成直流電，功率轉換電路通過控制開關管的通斷將直流電形成高頻脈沖電。該高頻脈沖電通過高頻變壓器進行變壓，次級高頻脈沖電經過輸出整流濾波電路，從而獲得輸出的低壓直流電。穩壓電路將次級輸出電壓通過光耦反饋給控制芯片，從而可以輸出穩定的直流電壓。由此可見，開關電源的高頻部分主要在高頻變壓器所在的功率轉換電路部分。

經過摸底測試及原理分析可以知道，在開關電源中，只有變壓器相關的電路工作頻率可能為高頻。開關電源的產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，很多開關電源及其變壓器的工作頻率都超過了30 kHz。

表1 開關電源的產品安全絕緣性能一般考核位置及其工作頻率

高頻會對產品的絕緣性能產生影響。新版安全標準《音視頻、信息技術和通信技術設備 第1部分：安全要求》（GB 4943.1—2022）對絕緣的電氣間隙、爬電距離和固體絕緣增加了頻率大于30 kHz時的特殊要求。舊版安全標準《信息技術設備 安全 第1部分：通用要求》（GB 4943.1—2011）和《音頻、視頻及類似電子設備 安全要求》（GB 8898—2011）盡管考慮了大于30 kHz的情況，但只是說明未得到另外的數據之前，可以與小于等于30 kHz的情況使用相同的要求[1-2]。基于此，本文對新版安全標準《音視頻、信息技術和通信技術設備 第1部分：安全要求》（GB 4943.1—2022）中頻率大于30 kHz的絕緣要求，結合開關電源內的隔離變壓器進行具體分析，為試驗室檢測及企業產品設計提供參考和幫助。

1 頻率大于30 kHz時的特殊要求

1.1 電氣間隙和爬電距離限值確定過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確定的。新版安全標準《音視頻、信息技術和通信技術設備 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值時，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、重復性峰值（如果有的話）、暫態過電壓三者中的最高值通過查表10（電壓頻率不超過30 kHz對應的最小電氣間隙）和表11（電壓頻率超過30 kHz對應的最小電氣間隙），使用較大值來確定最小電氣間隙的值[5]。

以常見的開關電源變壓器初次級引腳間的加強絕緣為例，污染等級2，預定僅在海拔2 000 m及以下使用，目前開關電源與電網電源連接的電路電壓一般不會超過250 V，因此認為暫態過電壓值是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。從實際檢測結果來看，跨接在開關電源變壓器初次級引腳間的電壓大部分不大于800 Vp，當該電壓頻率大于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30 kHz電壓查得的數值作為電氣間隙限值。只有當電壓頻率大于30 kHz且電壓峰值在1 000 V以上時，才可能使用大于30 kHz的電壓查得的數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期電壓有效值為基礎來確定的。新版安全標準《音視頻、信息技術和通信技術設備 第1部分：安全要求》（GB 4943.1—2022）中，確定最小爬電距離的數值時，當頻率小于等于30 kHz，通過查表17來確定最小爬電距離的值。頻率超過30 kHz但小于等于400 kHz時，通過查表18來確定最小爬電距離的值。頻率超過400 kHz時，在未得到另外的數據之前，可以使用頻率400 kHz及以下的爬電距離的要求[5]。

以常見的開關電源變壓器初次級引腳間的加強絕緣為例。從實際檢測結果來看，跨接在開關電源變壓器初次級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2，當頻率小于等于30 kHz時，通過查表17可得爬電距離為5.0 mm，加強絕緣限值為5.0×2=10.0 mm。當頻率超過30 kHz小于400 kHz時，通過查表18可得爬電距離為0.23 mm，加強絕緣限值為0.23×1.2×2=0.552 mm。由于表18中給出的數據未考慮電痕化現象的影響，如果要考慮這點，需要考慮表17，因此如果表18的數值小于表17的數值，則使用表17的數值。0.552＜10.0，所以10.0 mm是其爬電距離限值。

可見，即便是在工作頻率大于30 kHz時，一般依然以頻率小于等于30 kHz的表17來確定爬電距離限值。

1.2 頻率高于30 kHz時的固體絕緣的要求

固體絕緣的電氣強度比空氣中的絕緣的電氣強度要大出許多，固體絕緣的擊穿場強要比暴露在空氣中的電氣間隙的場強最少高出一個數量級。在實際應用中，固體絕緣較高的擊穿場強并沒有得到充分利用[3]。

因為固體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，對于這些空隙即便不至引發熱擊穿，其內部的局部放電現象仍可導致固體絕緣失效。因為當電壓遠遠低于擊穿電壓時即可發生局部放電現象，在空隙內局部放電發生的過程中，由于發生了空氣擊穿現象，形成了較低的擊穿場強，使得間隙內的氣體在較短的時間內形成導電性，這樣絕緣性能就由固體絕緣的其余部分繼續維持。當施加交流電壓應力時，由于容性電壓分布以及固體絕緣的較高介電常數的作用，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的絕緣介質，在其使用壽命內所承受的所有應力以及由此造成的損傷是累積性的。試驗顯示，即使在施加工頻電壓時，局部放電現象也會在較短的時間內造成極大的破壞。長此以往，最終會造成系統內幾乎所有固體絕緣材料的損壞[3]。

固體絕緣的失效機制有兩種。一種是因過高的電壓應力造成的介電損失，另一種是因為發熱量不斷增大，直至熱不穩定和熱擊穿的出現。施加在固體絕緣上的應力可分為短期和長期兩種。短期應力受發熱和電壓頻率的影響，發熱主要影響材料的機械性能，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極大地影響該絕緣的電氣強度，頻率的升高會降低大部分固體絕緣材料的電氣強度，使得固體絕緣的絕緣性能下降[3]。

對不同絕緣材料的高頻擊穿特性的研究發現，當頻率為1 MHz時，短時擊穿場強Eb僅為工頻時擊穿場強值的10%。擊穿場強值隨著頻率的增加持續下降，當電壓頻率到達100 MHz時，仍然在保持下降趨勢，如圖1所示[4]。

圖1 固體絕緣的高頻擊穿d=0.75 mm

《音視頻、信息技術和通信技術設備 第1部分：安全要求》（GB 4943.1—2022）標準中，第5.4.4.9條款給出了頻率高于30 kHz時的固體絕緣的要求。固體絕緣是否符合要求，按照圖2所示的流程圖來確定。具體步驟如下：

圖2 頻率高于30 kHz時的固體絕緣測試流程圖

第一步，確定絕緣材料在電網電源供電頻率下的擊穿電場強度值EP（單位為kV·mm-1有效值）；

第二步，根據《音視頻、信息技術和通信技術設備 第1部分：安全要求》（GB 4943.1—2022）中表21和表22確定擊穿電場強度的減小系數KR；

表2 絕緣材料的實際抗電強度VW的確定

第三步，根據EP和KR的乘積得出適用頻率下的擊穿電場強度值EF；

第四步，通過EF和絕緣材料的總厚度d（單位為mm）的乘積得出實際抗電強度VW；

第五步，根據絕緣類型確定VW的抗電強度試驗電壓是否大于相應的高頻工作電壓峰值的倍數從而得出使用的固體絕緣是否適當的結論。

作為以上方法的替代，可以按照《音視頻、信息技術和通信技術設備 第1部分：安全要求》（GB 4943.1—2022）中5.4.9.1條款進行抗電強度試驗，電網電源頻率進行試驗的電壓應為：對基本絕緣，1.2×VPW/KR；對加強絕緣，1.2×2×VPW/KR。抗電強度的測試中，該固體絕緣不能出現擊穿。

開關電源變壓器常用的骨架材料一般有電木（化學名稱酚醛塑料，是變壓器中最常用的材料，如長春T373J、T375J，住友PM9820、PM9630等）、阻燃尼龍原料（化學名稱聚酰胺）、阻燃PET塑膠原料（化學名稱聚對苯二甲酸乙二醇酯）以及阻燃PBT塑膠原料（化學名稱聚對苯二甲酸丁二醇酯）等。

開關電源變壓器常用的絕緣膠帶材料一般有環氧膠帶、聚酸亞胺膠帶、聚四氟乙烯膠帶、乙烯樹脂膠帶、聚酯薄膜、強化纖維膠帶、合成物薄膜、玻璃布以及乙醋酸布等。

對開關電源變壓器頻率高于30 kHz時的固體絕緣進行舉例分析：已知變壓器測得最高工作頻率為93 kHz，工作電壓有效值為264 V，峰值為520 V，骨架材質為酚醛，加強絕緣，厚度為0.8 mm，使用2層絕緣膠帶，加強絕緣，單層絕緣膠帶厚度為0.025 mm，絕緣膠帶材質為聚乙烯。基于此，絕緣材料的實際抗電強度VW的確定如表2所示。

作為上述判定的一種替代方法，抗電強度試驗電壓確定如表3所示。

表3 替代方法電強度試驗電壓確定

按要求對骨架和絕緣膠帶進行相應電壓的抗電強度試驗時，不得出現絕緣擊穿現象，試驗通過即認為絕緣符合要求。由制造商規定使用哪種試驗方法或合格判據。

2 結 語

電子產品新版安全標準《音視頻、信息技術和通信技術設備 第1部分：安全要求》（GB 4943.1—2022）增加了頻率高于30 kHz絕緣相關安全測試的要求。本文通過對頻率高于30 kHz的絕緣要求及開關電源用變壓器的實際應用實例進行詳細分析，為電子產品中涉及高頻絕緣器件的結構設計和試驗室檢測工作提供借鑒和幫助。