為高安全性和空間受限的應用選擇高電壓元器件

 在設計師努力實現(xiàn)小型化設計時，如果牽涉到高工作電壓，物理定律會給設計帶來很多限制。精心選擇元器件有助于盡可能有效地利用空間，同時確保設計的安全性和可靠性。

工程師在設計工作電壓高于幾百伏的設備時會遇到某些限制，這與通常的目標背道而馳： 即在由行業(yè)標準或市場預期確定的小體積內(nèi)實現(xiàn)盡可能多的功能，并達到最佳的性能。

相反，對于高工作電壓設計其物理尺寸應滿足一個最低的要求，以確保安全。當普通的電介質(zhì)材料在施加高電壓時，其性質(zhì)雖然不是被認為理所當然要發(fā)生，但很可能會被改變，導致支撐電極之間的絕緣體產(chǎn)生電弧，或者發(fā)生電荷傳導而不是被阻斷。電弧會永久性地損壞設備或部件，而絕緣體擊穿則可能會對用戶造成電擊風險。

安全性和尺寸限制

至關(guān)重要的是所選擇的材料和元器件不僅要具有合適的電壓額定值，通常其額定電壓應至少為最大工作電壓的兩倍，而且還要確保合適的爬電距離和間隙距離。

·爬電是指兩個具有不同電位電極之間的電場在電介質(zhì)表面上擴散的現(xiàn)象。電場越大，也就是千伏/毫米(kV/mm)為單位測量的值越大，在電極間防止電弧放電所需的爬電距離就越大。

·電氣間隙是防止兩個具有不同電位電極之間產(chǎn)生電弧所需的最小距離，電極僅通過空氣分開。

在這些描述中，應該澄清的是，術(shù)語“電極”可以指代各種類型的導體，例如元器件的端子、PCB跡線、連接器引腳或者這些導體的任何組合，它們可能具有不同的電壓但又彼此靠近。而電介質(zhì)則可以是元器件的外部封裝、PCB表面或連接器的絕緣部件。

以多層陶瓷電容器(MLCC)為例，低至約300V的工作電壓便能夠建立足夠強的電場，如果元器件選擇不當，所施加的能量便可以通過電弧擊穿其表面，而不是通過電容器傳輸。這可能會導致電容器介質(zhì)擊穿，出現(xiàn)短路，最終導致設備故障。

雖然能夠很方便地根據(jù)所施加的電壓確定最小爬電距離和間隙距離，但實際上也需要考慮許多其他變量，例如環(huán)境條件、對用戶或設備造成的風險以及針對特定行業(yè)或市場的安全標準等等，這些需要設計師根據(jù)不同應用的特點具體考慮。例如，高環(huán)境濕度或電介質(zhì)表面污染可使電離更加容易，導致電弧放電的可能性增大。為了防止污染，可以在電阻器或片式電容器等類型的組件表面增加一種保護性玻璃涂層，或者可以將保形涂層(conformal coating)施加至PCB。

AVX的SXP模制徑向多層電容器展示了如何設計具有更長爬電距離和間隙距離的高壓被動元件。該產(chǎn)品系列中體積最大的成員SXP4電容值范圍為100pF至2700pF，外形尺寸為22.4mm x 16.3mm x 5.84mm，引腳間距為19.8 mm。這個間距大約是標準回形針的長度。

圖1：具有內(nèi)部電弧保護的KEMET高壓陶瓷電容器。

先進的元器件技術(shù)可以確保在更小的整體尺寸內(nèi)實現(xiàn)出眾的爬電距離和間隙距離，KEMET的ArcShield™技術(shù)就是其中一例。諸如C1210W683KDRACTU X7R 多層陶瓷電容器(MLCC)等ArcShield電容器在元器件內(nèi)部包含一個屏蔽電極，可有效降低整個元器件表面的電場強度，從而防止可能導致電弧放電的條件。這項技術(shù)使得尺寸為0603的片式電容器能夠支持高達1kV的工作電壓。

電纜和連接器

在系統(tǒng)設計人員考慮諸如PCB走線、互連或電纜終端等導體之間的爬電距離和間隙距離時，必須要確保具有足夠的物理隔離。當涉及到連接器時，無論這些零部件是標準的現(xiàn)貨還是定制產(chǎn)品，必須要特別注意選擇合適的產(chǎn)品。無論是哪種情況，是連接器制造商確定了不同應用和情況下連接器的電壓額定值，而不是系統(tǒng)設計人員決定這些。

高電壓連接器通常專為特定行業(yè)和應用而設計。例如，供應商可能會將某個部件描述為“根據(jù)標準IEC 60601，醫(yī)療應用額定值為2000V DC”。這為產(chǎn)品設計師提供了一個明確的提示，可以由此確定該連接器是否適合他們的目標應用。

另一方面，某些高壓互連元器件的形狀和物理特征有時可以清楚地表明其預期用途。例如，鐵路車頂連接系統(tǒng)的電纜組件能夠?qū)⒏邏杭芸针娎|連接到車載變壓器。TE Con​​nectivity 的HVTT和HVTE電纜組件的額定電壓為15/25 kV，具有50 / 90kV的交流耐壓和125 / 175kV的脈沖耐受電壓。就這些組件的尺寸和形狀(如圖2)而言，它們具有光滑的表面和紋理，不僅可以避免高電場強度，而且可以最大限度地放電。當列車在大雨中靜止或緩慢移動時，其設計可用來避免電弧放電。這些組件還有助于避免表面污染物的積聚以防止腐蝕，具有較大的尺寸，直徑為90至135毫米，加上精心設計，使其爬電距離能夠達到650至1000毫米。

圖2：一些高壓元件的外形有助于提高其安全性和可靠性。

高電壓功率控制

在某些應用中，需要非常高的電壓才能產(chǎn)生激發(fā)效應，這些包括用于科學顯微鏡設備或用于生產(chǎn)半導體掩模電子光刻的X射線管驅(qū)動器、毫米波發(fā)生器或電子束發(fā)生器。盡管施加的電壓或許非常高，但電流可能相對較低。

另一方面，高功率系統(tǒng)可以通過升高電壓，采用相對較低的電流，從而受益于較低的能量損耗和自發(fā)熱(由I2R決定)，并可減小的導體厚度，這種應用包括從家用電器到變頻工業(yè)驅(qū)動器，或高壓直流配電等等。

對于像爐頂感應加熱系統(tǒng)或微波爐中通常采用的單端并聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器等電路，英飛凌IHW30N160R2及其他高壓IGBT的擊穿電壓可高達1600V，能處理高達30A持續(xù)集電極電流。它能夠以最高60kHz的開關(guān)頻率工作，這極大地擴展了設計人員的選擇范圍，可以采用更小的磁性和無源元件。工業(yè)標準功率封裝使系統(tǒng)設計人員的設計采用更加方便，并在高電壓應用中實現(xiàn)電流容量、爬電距離和間隙距離等方面更高的性能。IHW30N160R2采用TO-247，引線寬度略大于1mm，引線間距約為5mm。

盡管像上述英飛凌IGBT器件通常較適用于更高電壓、更高電流和更低開關(guān)頻率下的電源電路，但功率MOSFET則更容易在更低電壓、更低電流和更高開關(guān)頻率下提供更好的性能。隨著商用碳化硅(SiC)MOSFET器件的面市，工程師現(xiàn)在可以探索更多方法來實現(xiàn)其所需的高電壓、高開關(guān)速度(從而允許使用更小的外部元件)以及更低的傳導損耗。此外，SiC具有更高的工作溫度等其他優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)更加牢固和可靠的電路，同時降低對散熱器或風扇等散熱管理系統(tǒng)的要求。

與通常的硅MOSFET相比，SiC器件的這些性能優(yōu)勢源于其寬帶隙特性。換句話說，與硅MOSFET的1.1eV相比，SiC器件需要更大的能量(約3.2eV)才可以將電子激發(fā)到導帶中。由于需要更高的能量，因而擊穿電壓顯著高于相同規(guī)模的傳統(tǒng)硅片。由此，器件設計人員在創(chuàng)建用于廣泛使用的1200V或1700V額定電壓高壓應用碳化硅MOSFET 時，能夠更加自由地優(yōu)化柵極、漏極和源極區(qū)域，以便實現(xiàn)更低的RDS(ON)。

碳化硅器件具有高電流和低損耗，其高導熱率可以提高系統(tǒng)功率密度。Cree公司的 C2M系列1200V和1700V SiC MOSFET展示了這種新興技術(shù)如何能夠改進高壓功率系統(tǒng)設計的標桿。1.2kV C2M0160120D采用業(yè)界標準的TO-247封裝，可處理高達17.7A的漏極電流，但其RDS(ON)僅為160mΩ。Cree表示其碳化硅MOSFET能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)硅IGBT功率密度的三倍，但僅有20%的損耗。對于太陽能逆變器、不間斷電源(UPS)以及高壓DC/DC轉(zhuǎn)換器、高性能工業(yè)馬達驅(qū)動器和通用開關(guān)電源(SMPS)等能源敏感型應用，C2M系列等SiC功率MOSFET具有非常令人興奮的應用前景。

結(jié)論

在為高達數(shù)百甚至數(shù)千伏的工作電壓設計電路時，需要了解與較低工作電壓下不同的材料屬性和電場行為。一方面，相對于較低電壓，高電壓/低電流配置可以允許更小橫截面的導體，但是對隔離距離則具有更高的要求，這會妨礙設計者實現(xiàn)最小化電路尺寸，并增加功率密度的目標。像KEMET公司的ArcShield特殊技術(shù)可以使標準尺寸的元器件外形能夠滿足爬電和間隙距離等要求，而在考慮連接器等零部件時，高電壓對于外形、尺寸和使用環(huán)境下的保護等方面的要求通常比較明顯。在功率半導體領(lǐng)域，SiC技術(shù)能夠在尺寸和性能之間取得更多有利的平衡。

在高工作電壓下，必須仔細考慮元器件的選擇和應用，以確保實現(xiàn)功能的完整性、可靠性和安全性。