使用高壓電子設(shè)計(jì)？這些規(guī)范知識你應(yīng)該知道的

對于將設(shè)計(jì)時間花在個位數(shù)、低壓世界的工程師來說，“高壓”一詞可能會讓人聯(lián)想到兩位數(shù)的電壓，可能高達(dá) 24V 或 48V DC，甚至是三位數(shù)的電壓域120/240 VAC 的線路電壓。然而，必須在 1000V、1500V 和更高電壓下完成大量重要的工程設(shè)計(jì)。

為該地區(qū)設(shè)計(jì)產(chǎn)品需要截然不同的思維、組件選擇和互連，而低壓產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員通常甚至不必考慮這些領(lǐng)域。這些問題適用于無源元件、連接器、布線互連、 MOSFET/IGBT、布局，當(dāng)然還有安全和監(jiān)管問題。當(dāng)您的電壓電位如此之高時，這是一個艱難、無情的世界。微不足道的疏忽會突然變成危及設(shè)備和生命的重大事件。IC先生建議大家要記?。旱谝粭l規(guī)則是在做任何事情之前先停下來思考；規(guī)則 2 再次調(diào)用規(guī)則 1，可能多次。

需要高壓

考慮到挑戰(zhàn)和風(fēng)險(xiǎn)，為什么設(shè)計(jì)工程師還要考慮使用這些電壓呢？這要么是因?yàn)楣こ處焺e無選擇，要么是因?yàn)檫@是一個非常好的和必要的想法。這些應(yīng)用程序分為兩大類：

在“工程師別無選擇”的領(lǐng)域，科學(xué)、醫(yī)學(xué)和物理儀器需要 X 光機(jī)等專用設(shè)備中的高電壓，以產(chǎn)生高強(qiáng)度場、電離原子并加速電子和其他粒子。這同樣適用于仍然需要大功率廣播甚至中等功率微波和毫米波發(fā)射器的真空管。在更常見的應(yīng)用中，即使是商業(yè)霓虹燈也需要幾 kV 才能電離內(nèi)部的惰性氣體。請注意，其中許多應(yīng)用需要千伏甚至更高電壓，但電流相對適中，約為 100mA。

許多科學(xué)實(shí)驗(yàn)需要數(shù)千伏特的低電流電勢來刺激粒子，或控制和加速它們的運(yùn)動。

在使用高壓是“非常好的和必要的想法”的情況下，工程師正在設(shè)計(jì)功率和效率。當(dāng)電源或電機(jī)需要產(chǎn)生大量功率時，電源必須提供瓦特，瓦特是電壓和電流的乘積。但在較低電壓下，電流明顯較高，因此導(dǎo)體、連接器、開關(guān)和有源器件中的 IR（電流 X 電阻）損耗會導(dǎo)致效率低下、損耗和 I2R 發(fā)熱。

為了最大限度地減少電纜、連接器、磁性元件和有源元件中的 IR 損耗，電機(jī)被設(shè)計(jì)為在非常高的電壓下通過電源運(yùn)行。

最小化這些損耗的方法是增加電壓從而降低電流，從而減少 IR 損耗和 I2R 發(fā)熱。這就是為什么，例如，電力機(jī)車在 20 kV 下運(yùn)行，而電力公司的交流饋線可以在 100 kV 或更高電壓下運(yùn)行。如果我們要在較低的電壓下運(yùn)行此類設(shè)備，則基本線路和其他損耗（包括效率成本和散熱）將非常顯著且無法容忍。與上面引用的科學(xué)、醫(yī)學(xué)和物理儀器應(yīng)用相比，這些“功率傳輸”設(shè)計(jì)除了千伏額定值外，還可以達(dá)到數(shù)十或數(shù)百安培。

從物理尺寸開始

處理高壓從導(dǎo)體間距和相關(guān)尺寸開始。在較高電壓下間隔導(dǎo)體的關(guān)鍵術(shù)語是爬電距離和電氣間隙。

爬電距離是指電弧在表面上行進(jìn)的距離，例如印刷線路板上的兩條走線之間或連接器或 IC 的表面。

電氣間隙是電弧在空氣中傳播的最短距離，例如從連接器或 IC 的引腳到引腳。

爬電距離和電氣間隙要求是峰值電壓的函數(shù)；對于正弦波 AC 信號，峰值是 RMS 值的 1.4 倍，加上相當(dāng)大的安全系數(shù)。雖然能夠在任何給定電壓下提出特定的爬電距離和間隙尺寸要求會很好，但這樣做是不可能的，因?yàn)樗鼈兊某叽缛Q于許多因素：

無論是潛在的電擊危險(xiǎn)還是僅僅是功能故障問題，

世界各區(qū)域：不同區(qū)域有不同標(biāo)準(zhǔn)，

應(yīng)用：例如科學(xué)、工業(yè)或醫(yī)學(xué)，甚至是消費(fèi)品，

最大工作高度和濕度（海平面干燥空氣的閃絡(luò)額定值約為 4kV /cm，或 10kV/inch），

跨 PC 板和其他表面：由于各種污染而可能導(dǎo)致的潛在污染程度；PCB材料組；和涂層（如果有的話）。

因此，需要認(rèn)真研究以確定所需的最小爬電距離和電氣間隙值，或者工程師可能需要請有經(jīng)驗(yàn)的顧問，特別是如果最終產(chǎn)品需要正式的監(jiān)管批準(zhǔn)才能制造和銷售。

轉(zhuǎn)向無源元件

在較低電壓下工作的設(shè)計(jì)人員很少需要查看其基本無源元件的額定電壓；那些支持 IC 和分立器件的幾乎無數(shù)的電阻器、電容器和電感器。然而，其中每一個都有最大工作電壓額定值規(guī)格。高于此電壓，組件可能無法按規(guī)格工作，可能會“正常”降級、過早失效或遭受災(zāi)難性故障。

例如，電容器可能被指定為“10μF/15 VDC”，這是它應(yīng)該允許看到的最大額定電壓。請注意，它可以承受這種過壓多長時間的問題取決于供應(yīng)商；它可能短至幾毫秒或長達(dá)幾分鐘，因此工程師必須查看供應(yīng)商定義。如果在100V下使用，很可能會在電容器內(nèi)層之間產(chǎn)生拉弧，使它們短路，破壞電容功能。大多數(shù)設(shè)計(jì)人員喜歡使用其預(yù)期最大電壓的兩到三倍的安全系數(shù)，因此 1 kV 直流電路的設(shè)計(jì)人員會選擇額定電壓為 2 到 3 kV 的無源器件。

例如，AVX SXP 型模壓徑向多層電容器具有各種最大額定電壓，最高可達(dá) 3000 V。該系列中最大的成員 SXP4 的容量范圍為 100pF 至 2200pF，并且尺寸為 22.4 × 16.3 × 5.84 毫米厚，引線間距為 19.8 毫米（大約是標(biāo)準(zhǔn)回形針的長度）。

AVX SXP 系列中的這款電容器額定電壓為 3000V，引線間距略低于 20 毫米。

連接器和電纜

連接器和電纜呢？盡管它們通常不會與電阻器、電容器和電感器等“無源”元件一起考慮，但它們也是高壓鏈中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，并且具有許多與基本無源元件相同的參數(shù)。與布局和布線一樣，爬電距離和間隙是選擇高壓互連時的主要因素。但是與連接器和電線相比，布線和布局問題之間存在差異：電路和系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員通常不設(shè)計(jì)連接器；他們買了。無論是標(biāo)準(zhǔn)的、現(xiàn)成的部件，還是定制設(shè)計(jì)的部件，都是連接器制造商為不同的應(yīng)用和情況確定和定義連接器的額定電壓。

幾乎所有高壓連接器都針對特定行業(yè)和需求，而不是針對通用高壓應(yīng)用。例如，供應(yīng)商可能會將給定的連接器稱為“根據(jù) IEC60601 標(biāo)準(zhǔn)，醫(yī)療應(yīng)用的額定電壓為 2000 V DC”，這提供了系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員在選擇連接器時需要的適用性聲明。

例如，TE Connectivity HVTT 和 HVTE 電纜組件是用于電動軌道車輛的高壓互連電纜和連接器，額定電壓為 15/25 kV，適用于汽車和客車車頂線和設(shè)備連接，具體取決于具體型號。除了基本的直流工作額定值外，它們還具有 50/90kV 的交流耐壓和高達(dá) 125/175kV 的脈沖耐壓。當(dāng)然，這些都是大型連接器，直徑為 90 至 135 毫米，爬電距離為 650 至 1000 毫米。它們的端接包括重型柔性收縮管，以防止水分和密封件進(jìn)入暴露的最終組件。

還需要高壓有源器件

高壓設(shè)計(jì)需要的不僅僅是在高電位下路由電流。該設(shè)計(jì)還涉及在高壓下控制和切換電流。IGBT 和 MOSFET 是這里最常用的器件，盡管真空電子器件 (VED)（通常稱為真空管）在這一領(lǐng)域仍然發(fā)揮著驚人的重要作用，因?yàn)樗鼈兛梢蕴幚砗秃纳⒋罅抗β?，尤其是?a target="_blank">射頻頻譜。

是使用 MOSFET 還是 IGBT 通常是第一次審查時難以做出的決定。一般來說，IGBT 更適合更高電壓、更高電流和更低開關(guān)頻率的組合。MOSFET 更適合較低電壓和較低電流的組合，但開關(guān)頻率較高。

無論選擇哪種分立功率器件，封裝都由三個相關(guān)因素決定：電壓，以及爬電和間隙問題；電流，具有更大的引線尺寸以減少 IR（電流 x 電阻）壓降；和功耗，包括從管芯到外殼的低熱阻抗，以最大限度地增加內(nèi)部產(chǎn)生的熱量，無論是由于 MOSFET 中的導(dǎo)通電阻 RDS(on) 還是 IGBT 中的二極管壓降，管芯和封裝。

例如，International Rectifier 的 IRG7PK35UD1 IGBT 額定電壓為 1400 V，目標(biāo)是用于爐頂感應(yīng)加熱系統(tǒng)和微波爐的更高功率、單端、并聯(lián)諧振功率轉(zhuǎn)換器。

International Rectifier IRG7PK35UD1 IGBT 針對家用電器應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，采用標(biāo)準(zhǔn)通孔 TO-247 封裝以降低成本并簡化 PC 板上的安裝使用。

除了 1400V 的額定電壓外，該 IGBT 還支持 40A 的連續(xù)集電極電流和 8 至 30kHz 的開關(guān)速度，這對于 IGBT 來說已經(jīng)非?？炝?。由于電壓、電流和最大額定耗散功率為 167W，它采用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 TO-247 封裝。三個封裝引線的寬度均略高于 1 毫米，而最小引線間距約為 5 毫米，與 1400V/40A 額定值相當(dāng)。

TO-247 尺寸圖顯示了它在處理兩位數(shù)電流時必須如何遵守額定 IGBT 電壓的爬電距離和電氣間隙要求。

對于高壓 IGBT 與 MOSFET 的選擇，對于它們都是可行候選者的應(yīng)用，現(xiàn)在有一個額外的維度：基于碳化硅 (SiC) 而不是單獨(dú)使用傳統(tǒng)硅的 MOSFET 的商業(yè)可用性。在 SiC 器件中，較寬的帶隙和其他詳細(xì)的物理特性導(dǎo)致?lián)舸╇妷嚎赡鼙裙韪?10 倍。結(jié)果是，盡管 SiC 器件存在其他限制，但可以制造更薄、更小的 SiC MOSFET，并且能夠以更少的損耗承載更多電流。此外，與硅相比，SiC 具有高得多的熱導(dǎo)率，從而產(chǎn)生出色的功率密度。對于臨界最高工作溫度參數(shù)，SiC 器件可以在超過 150°C 的結(jié)溫下運(yùn)行，

Cree 提供 C2M 系列 1220V 和 1700V SiC MOSFET，同樣采用 TO-247 封裝，這說明了這種轉(zhuǎn)變。C2M0160120D 在 17.7A 時的額定電壓為 1.2kV，RDS(on) 僅為 160mΩ，額定功耗為 125W；他們的 C2M0160120D 也是 1.2kV 器件，但電流高達(dá) 90A，RDS(on) 僅為 25mΩ，最大額定耗散功率為 463W。該系列非常適合太陽能逆變器、高壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器、電機(jī)驅(qū)動、開關(guān)模式電源 (SMPS) 和不間斷電源 (UPS) 設(shè)計(jì)。Cree 聲稱他們的 SiC MOSFET 的功率密度是硅基 IGBT 的三倍，而損耗僅為硅基 IGBT 的 20%——這兩項(xiàng)都是非常顯著的改進(jìn)。

基于碳化硅的 MOSFET 比大致相當(dāng)?shù)墓?MOSFET 和 IGBT 提供更好的高壓/大電流效率和密度；300A SiC 比 600A IGBT 更強(qiáng)大

盡管直接使用這些高電壓（或什至只是圍繞這些高電壓進(jìn)行設(shè)計(jì)）存在許多挑戰(zhàn)，但它們是許多產(chǎn)品不可避免的重要方面。這就是為什么工程師必須熟悉相關(guān)的設(shè)計(jì)方面和與高壓相關(guān)的基本問題，以及安全和監(jiān)管問題，以形成正確的觀點(diǎn)，同時尊重高壓可以做什么以及它們?yōu)楹稳绱恕?br />