开关电源工作频率高于30 kHz时的绝缘要求

许艳伟，刘 立

（北京泰瑞特检测技术服务有限责任公司，北京 100015）

0 引 言

开关模式电源（Switching Mode Power Supply，SMPS）是一种高频化电能转换装置，是电源供应器的一种，其功能是将一个稳定的电压透过不同形式的架构转换为用户端所需的电压或电流。与传统的线性电源相比，开关电源的工作频率较高，其工作频率范围在20～150 kHz。

为了达到安全的目的，电子产品常用的AC/DC开关电源的初级电网电源交流高压电路和次级输出的直流低压电路之间需要进行绝缘隔离。常用的起绝缘作用的隔离器件主要有变压器、Y电容、光电耦合器以及绝缘材料等。

开关电源主要由输入整流滤波电路、功率转换电路、输出整流滤波电路以及稳压电路等组成。输入整流滤波电路主要是将交流电整流变成直流电，功率转换电路通过控制开关管的通断将直流电形成高频脉冲电。该高频脉冲电通过高频变压器进行变压，次级高频脉冲电经过输出整流滤波电路，从而获得输出的低压直流电。稳压电路将次级输出电压通过光耦反馈给控制芯片，从而可以输出稳定的直流电压。由此可见，开关电源的高频部分主要在高频变压器所在的功率转换电路部分。

经过摸底测试及原理分析可以知道，在开关电源中，只有变压器相关的电路工作频率可能为高频。开关电源的产品安全绝缘性能一般考核的位置及其工作频率如表1所示。目前，很多开关电源及其变压器的工作频率都超过了30 kHz。

表1 开关电源的产品安全绝缘性能一般考核位置及其工作频率

高频会对产品的绝缘性能产生影响。新版安全标准《音视频、信息技术和通信技术设备 第1部分：安全要求》（GB 4943.1—2022）对绝缘的电气间隙、爬电距离和固体绝缘增加了频率大于30 kHz时的特殊要求。旧版安全标准《信息技术设备 安全 第1部分：通用要求》（GB 4943.1—2011）和《音频、视频及类似电子设备 安全要求》（GB 8898—2011）尽管考虑了大于30 kHz的情况，但只是说明未得到另外的数据之前，可以与小于等于30 kHz的情况使用相同的要求[1-2]。基于此，本文对新版安全标准《音视频、信息技术和通信技术设备 第1部分：安全要求》（GB 4943.1—2022）中频率大于30 kHz的绝缘要求，结合开关电源内的隔离变压器进行具体分析，为试验室检测及企业产品设计提供参考和帮助。

1 频率大于30 kHz时的特殊要求

1.1 电气间隙和爬电距离限值确定过程中需要考虑基频高于30 kHz的情况

电气间隙是以承受所要求的冲击耐受电压来确定的。新版安全标准《音视频、信息技术和通信技术设备 第1部分：安全要求》（GB 4943.1—2022）中，在使用程序1确定最小电气间隙的数值时，电压频率大于30 kHz是确定最小电气间隙需要考虑的因素之一。

程序1主要使用跨在电气间隙上的工作电压的峰值、重复性峰值（如果有的话）、暂态过电压三者中的最高值通过查表10（电压频率不超过30 kHz对应的最小电气间隙）和表11（电压频率超过30 kHz对应的最小电气间隙），使用较大值来确定最小电气间隙的值[5]。

以常见的开关电源变压器初次级引脚间的加强绝缘为例，污染等级2，预定仅在海拔2 000 m及以下使用，目前开关电源与电网电源连接的电路电压一般不会超过250 V，因此认为暂态过电压值是2 000 V峰值，电压频率为工频，因此查表10可得电气间隙为2.54 mm。从实际检测结果来看，跨接在开关电源变压器初次级引脚间的电压大部分不大于800 Vp，当该电压频率大于30 kHz，查表11可得电气间隙为0.44 mm。由于0.44＜2.54，因此取2.54 mm为其最小电气间隙值。

因此，在一般情形下，还是以不超过30 kHz电压查得的数值作为电气间隙限值。只有当电压频率大于30 kHz且电压峰值在1 000 V以上时，才可能使用大于30 kHz的电压查得的数值作为电气间隙限值。

爬电距离是以作用在跨接爬电距离两端的长期电压有效值为基础来确定的。新版安全标准《音视频、信息技术和通信技术设备 第1部分：安全要求》（GB 4943.1—2022）中，确定最小爬电距离的数值时，当频率小于等于30 kHz，通过查表17来确定最小爬电距离的值。频率超过30 kHz但小于等于400 kHz时，通过查表18来确定最小爬电距离的值。频率超过400 kHz时，在未得到另外的数据之前，可以使用频率400 kHz及以下的爬电距离的要求[5]。

以常见的开关电源变压器初次级引脚间的加强绝缘为例。从实际检测结果来看，跨接在开关电源变压器初次级引脚间的电压大部分不大于500 Vrms，假定材料组别为Ⅲb，污染等级2，当频率小于等于30 kHz时，通过查表17可得爬电距离为5.0 mm，加强绝缘限值为5.0×2=10.0 mm。当频率超过30 kHz小于400 kHz时，通过查表18可得爬电距离为0.23 mm，加强绝缘限值为0.23×1.2×2=0.552 mm。由于表18中给出的数据未考虑电痕化现象的影响，如果要考虑这点，需要考虑表17，因此如果表18的数值小于表17的数值，则使用表17的数值。0.552＜10.0，所以10.0 mm是其爬电距离限值。

可见，即便是在工作频率大于30 kHz时，一般依然以频率小于等于30 kHz的表17来确定爬电距离限值。

1.2 频率高于30 kHz时的固体绝缘的要求

固体绝缘的电气强度比空气中的绝缘的电气强度要大出许多，固体绝缘的击穿场强要比暴露在空气中的电气间隙的场强最少高出一个数量级。在实际应用中，固体绝缘较高的击穿场强并没有得到充分利用[3]。

因为固体绝缘本身可能存在气泡或空隙，这可能是不同的绝缘层间，绝缘器件与导电器件之间的界面引起，或者由于绝缘材料的制造工艺存在缺陷，对于这些空隙即便不至引发热击穿，其内部的局部放电现象仍可导致固体绝缘失效。因为当电压远远低于击穿电压时即可发生局部放电现象，在空隙内局部放电发生的过程中，由于发生了空气击穿现象，形成了较低的击穿场强，使得间隙内的气体在较短的时间内形成导电性，这样绝缘性能就由固体绝缘的其余部分继续维持。当施加交流电压应力时，由于容性电压分布以及固体绝缘的较高介电常数的作用，电压大部分被施加到充满气体的孔穴上。而固体绝缘不是一种可恢复的绝缘介质，在其使用寿命内所承受的所有应力以及由此造成的损伤是累积性的。试验显示，即使在施加工频电压时，局部放电现象也会在较短的时间内造成极大的破坏。长此以往，最终会造成系统内几乎所有固体绝缘材料的损坏[3]。

固体绝缘的失效机制有两种。一种是因过高的电压应力造成的介电损失，另一种是因为发热量不断增大，直至热不稳定和热击穿的出现。施加在固体绝缘上的应力可分为短期和长期两种。短期应力受发热和电压频率的影响，发热主要影响材料的机械性能，而电压频率的影响最为直接，施加在固体绝缘上的电压频率会极大地影响该绝缘的电气强度，频率的升高会降低大部分固体绝缘材料的电气强度，使得固体绝缘的绝缘性能下降[3]。

对不同绝缘材料的高频击穿特性的研究发现，当频率为1 MHz时，短时击穿场强Eb仅为工频时击穿场强值的10%。击穿场强值随着频率的增加持续下降，当电压频率到达100 MHz时，仍然在保持下降趋势，如图1所示[4]。

图1 固体绝缘的高频击穿d=0.75 mm

《音视频、信息技术和通信技术设备 第1部分：安全要求》（GB 4943.1—2022）标准中，第5.4.4.9条款给出了频率高于30 kHz时的固体绝缘的要求。固体绝缘是否符合要求，按照图2所示的流程图来确定。具体步骤如下：

图2 频率高于30 kHz时的固体绝缘测试流程图

第一步，确定绝缘材料在电网电源供电频率下的击穿电场强度值EP（单位为kV·mm-1有效值）；

第二步，根据《音视频、信息技术和通信技术设备 第1部分：安全要求》（GB 4943.1—2022）中表21和表22确定击穿电场强度的减小系数KR；

表2 绝缘材料的实际抗电强度VW的确定

第三步，根据EP和KR的乘积得出适用频率下的击穿电场强度值EF；

第四步，通过EF和绝缘材料的总厚度d（单位为mm）的乘积得出实际抗电强度VW；

第五步，根据绝缘类型确定VW的抗电强度试验电压是否大于相应的高频工作电压峰值的倍数从而得出使用的固体绝缘是否适当的结论。

作为以上方法的替代，可以按照《音视频、信息技术和通信技术设备 第1部分：安全要求》（GB 4943.1—2022）中5.4.9.1条款进行抗电强度试验，电网电源频率进行试验的电压应为：对基本绝缘，1.2×VPW/KR；对加强绝缘，1.2×2×VPW/KR。抗电强度的测试中，该固体绝缘不能出现击穿。

开关电源变压器常用的骨架材料一般有电木（化学名称酚醛塑料，是变压器中最常用的材料，如长春T373J、T375J，住友PM9820、PM9630等）、阻燃尼龙原料（化学名称聚酰胺）、阻燃PET塑胶原料（化学名称聚对苯二甲酸乙二醇酯）以及阻燃PBT塑胶原料（化学名称聚对苯二甲酸丁二醇酯）等。

开关电源变压器常用的绝缘胶带材料一般有环氧胶带、聚酸亚胺胶带、聚四氟乙烯胶带、乙烯树脂胶带、聚酯薄膜、强化纤维胶带、合成物薄膜、玻璃布以及乙醋酸布等。

对开关电源变压器频率高于30 kHz时的固体绝缘进行举例分析：已知变压器测得最高工作频率为93 kHz，工作电压有效值为264 V，峰值为520 V，骨架材质为酚醛，加强绝缘，厚度为0.8 mm，使用2层绝缘胶带，加强绝缘，单层绝缘胶带厚度为0.025 mm，绝缘胶带材质为聚乙烯。基于此，绝缘材料的实际抗电强度VW的确定如表2所示。

作为上述判定的一种替代方法，抗电强度试验电压确定如表3所示。

表3 替代方法电强度试验电压确定

按要求对骨架和绝缘胶带进行相应电压的抗电强度试验时，不得出现绝缘击穿现象，试验通过即认为绝缘符合要求。由制造商规定使用哪种试验方法或合格判据。

2 结 语

电子产品新版安全标准《音视频、信息技术和通信技术设备 第1部分：安全要求》（GB 4943.1—2022）增加了频率高于30 kHz绝缘相关安全测试的要求。本文通过对频率高于30 kHz的绝缘要求及开关电源用变压器的实际应用实例进行详细分析，为电子产品中涉及高频绝缘器件的结构设计和试验室检测工作提供借鉴和帮助。