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1.1 绝缘监测

市场上有多项绝缘监测技术。最常用的两种方法是交流电流注入和电桥开关。

交流电流注入法是生成一个方波信号，然后通过 RC 滤波器或变压器将该信号注入 HV 线路和保护性接地 (PE) 之间的 RC 电路。阻抗是根据电容器的充电和放电来计算的。交流电流法的主要缺点是难以实现可靠和准确的设计，以及需要体积庞大的变压器将注入电路与 HV 线路隔离开。交流电流法的优点是不受隔离电容的影响。请参阅节 1.2，了解更多详情。

IEC 61851-23 等安全标准中提出了电桥开关法。电桥开关法是通过隔离栅切换已知电阻支路的方法。正常运行时，没有电流流经电阻桥，因为没有通往 PE 的路径。这表明系统是安全的，没有任何隔离破损。

图 1-4 绝缘监测模拟前端（简化）

电桥直流绝缘监测的设计直观而准确。不需要体积庞大的变压器，并且在正常运行期间，隔离栅上仅消耗少量功率。

除了工业级低压配电系统 外，该设计在汽车领域注重隔离参数的混合动力汽车 (HEV) 和电动汽车 (EV) 系统中也颇受欢迎。

如安全标准所述，将该电阻支路的工作时间限制在十秒以内。这是由于在电路运行时，系统的安全性受到损害。

图 1-4 是一个使用此参考设计进行隔离击穿测量的示例。负侧开关 (SN) 和正侧开关 (SP) 由全新的 TPSI2140 无缝继电器隔离开关实现，用于通过已知的电阻分压器路径临时断开隔离栅。

R_stP 和 R_stN 是 ±0.1% 高阻分压器支路，分别在 DC+ 和 PE 以及 DC– 和 PE 之间切换。R_inAMC 是电压检测电阻器，为 AMC3330 增强型隔离放大器提供按比例缩减的电压输入。

在测量期间，两个电阻支路在不同时间接通。图 1-5 显示了当 SP 开启而 SN 保持关闭时的等效电路。隔离栅上的电流 I_iso 与总线电压、隔离电阻和接通的电阻支路成正比。

在正常条件下，隔离栅完好无损且 DC– 和 PE 之间的绝缘电阻 R_isoN 为 MΩ 量级，因此在接通的电阻分压器上仅有很小的电流，从而使 AMC3330 具有很小的输入信号。

如果隔离栅性能下降，则 I_iso 会增大，从而导致 AMC3330 的输入信号增大。对于 SN 闭合且 SP 断开的情况，会出现同样的行为，具体取决于 R_isoP。

图 1-5 正侧开关上的隔离电压 – 隔离电流

为了计算 R_isoN 和 R_isoP 的确切值，使用了图 1-5 和图 1-6 中显示的等效电路。

如果在 SN 断开时 SP 闭合，则漏电流会在电阻支路中产生电压 – 这里称为隔离电压 V_P。根据基尔霍夫电压定律，可以推导出方程式 21。

方程式 1.

I_{iso} \times R_{isoN} - V_{DC} + V_{P} = 0

求解 V_P，其结果为方程式 2。

方程式 2.

V_{p} = V_{DC} - I_{iso} \times R_{isoN}

隔离栅的漏电流可根据方程式 3 计算得出：

方程式 3.

I_{iso} = \frac{V_{P}}{R_{isoP} | | (R_{stP} + R_{inAMC})}

代入方程式 2 和方程式 3：

方程式 4.

V_{P} \times (1 + \frac{R_{isoN}}{R_{isoP} | | (R_{stp} + R_{inAMC})}) - V_{DC} = 0

因此，产生的隔离电压 值通过 R_inAMC 缩小至 AMC3330 ±1V 范围，可根据方程式 5 计算得出。

方程式 5.

SP 闭合 \to V_{P} = \frac{V_{DC}}{(1 + \frac{R_{isoN}}{R_{isoP} | | (R_{stp} + R_{inAMC})})}

可以使用方程式 6 通过 V_inP 的测量值计算 V_P。

方程式 6.

V_{P} = V_{inP} \times \frac{R_{stP} + R_{inAMC}}{R_{inAMC}}

对于 SP 断开和 SN 闭合的相反状态，可以找到类似的公式。

图 1-6 负侧开关上的隔离电压 – 隔离电流

在这种情况下，V_DC 的符号会发生变化，因为对于该等效电路，直流连接的极性会发生变化，这也会产生负隔离电流 I_iso。

方程式 7.

I_{iso} \times R_{isoP} + V_{DC} + V_{N} = 0

;

方程式 8.

V_{N} = - V_{DC} - I_{iso} \times R_{isoP}

方程式 9.

I_{iso} = \frac{V_{N}}{R_{isoN} / / (R_{stN} + R_{inAMC})}

方程式 10.

V_{N} \times (1 + \frac{R_{isoP}}{R_{isoN} | | (R_{stN} + R_{inAMC})}) + V_{DC} = 0

方程式 11.

SN c l o s e d \to V_{N} = \frac{- V_{DC}}{(1 + \frac{R_{isoP}}{R_{isoN} | | (R_{stN} + R_{inAMC})})}

方程式 12.

V_{N} = V_{inN} \times \frac{R_{stP} + R_{inAMC}}{R_{inAMC}}

假设 R_stP = R_stN = R_st，可以通过方程式 7 至方程式 11 计算直流线路和 PE 之间的隔离电阻：

方程式 13.

R_{isoP} = \frac{- (R_{inAMC} + R_{st}) \times (V_{DC} + V_{N} - V_{P})}{V_{N}}

方程式 14.

R_{isoN} = \frac{(R_{inAMC} + R_{st}) \times (V_{DC} + V_{N} - V_{P})}{V_{P}}

对于正（此时电阻支路接通）和负两种情况，R_inAMC 上的隔离电压极性是相反的。由于具有双极输入电压范围，AMC3330 在该场景下非常适用。