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为高安全性和空间受限的应用选择高电压元器件

时间:2018-06-13 来源:21ic 关键字:高电压元器件   元器件   连接器   

 在设计师努力实现小型化设计时,如果牵涉到高工作电压,物理定律会给设计带来很多限制。精心选择元器件有助于尽可能有效地利用空间,同时确保设计的安全性和可靠性。

本文引用地址: http://power.21ic.com//poc/technical/201806/65902.html

工程师在设计工作电压高于几百伏的设备时会遇到某些限制,这与通常的目标背道而驰: 即在由行业标准或市场预期确定的小体积内实现尽可能多的功能,并达到最佳的性能。

相反,对于高工作电压设计其物理尺寸应满足一个最低的要求,以确保安全。当普通的电介质材料在施加高电压时,其性质虽然不是被认为理所当然要发生,但很可能会被改变,导致支撑电极之间的绝缘体产生电弧,或者发生电荷传导而不是被阻断。电弧会永久性地损坏设备或部件,而绝缘体击穿则可能会对用户造成电击风险。

安全性和尺寸限制

至关重要的是所选择的材料和元器件不仅要具有合适的电压额定值,通常其额定电压应至少为最大工作电压的两倍,而且还要确保合适的爬电距离和间隙距离。

·爬电是指两个具有不同电位电极之间的电场在电介质表面上扩散的现象。电场越大,也就是千伏/毫米(kV/mm)为单位测量的值越大,在电极间防止电弧放电所需的爬电距离就越大。

·电气间隙是防止两个具有不同电位电极之间产生电弧所需的最小距离,电极仅通过空气分开。

在这些描述中,应该澄清的是,术语“电极”可以指代各种类型的导体,例如元器件的端子、PCB迹线、连接器引脚或者这些导体的任何组合,它们可能具有不同的电压但又彼此靠近。而电介质则可以是元器件的外部封装、PCB表面或连接器的绝缘部件。

以多层陶瓷电容器(MLCC)为例,低至约300V的工作电压便能够建立足够强的电场,如果元器件选择不当,所施加的能量便可以通过电弧击穿其表面,而不是通过电容器传输。这可能会导致电容器介质击穿,出现短路,最终导致设备故障。

虽然能够很方便地根据所施加的电压确定最小爬电距离和间隙距离,但实际上也需要考虑许多其他变量,例如环境条件、对用户或设备造成的风险以及针对特定行业或市场的安全标准等等,这些需要设计师根据不同应用的特点具体考虑。例如,高环境湿度或电介质表面污染可使电离更加容易,导致电弧放电的可能性增大。为了防止污染,可以在电阻器或片式电容器等类型的组件表面增加一种保护性玻璃涂层,或者可以将保形涂层(conformal coating)施加至PCB。

AVX的SXP模制径向多层电容器展示了如何设计具有更长爬电距离和间隙距离的高压被动元件。该产品系列中体积最大的成员SXP4电容值范围为100pF至2700pF,外形尺寸为22.4mm x 16.3mm x 5.84mm,引脚间距为19.8 mm。这个间距大约是标准回形针的长度。

图1:具有内部电弧保护的KEMET高压陶瓷电容器。

图1:具有内部电弧保护的KEMET高压陶瓷电容器。

先进的元器件技术可以确保在更小的整体尺寸内实现出众的爬电距离和间隙距离,KEMET的ArcShield™技术就是其中一例。诸如C1210W683KDRACTU X7R 多层陶瓷电容器(MLCC)等ArcShield电容器在元器件内部包含一个屏蔽电极,可有效降低整个元器件表面的电场强度,从而防止可能导致电弧放电的条件。这项技术使得尺寸为0603的片式电容器能够支持高达1kV的工作电压。

电缆和连接器

在系统设计人员考虑诸如PCB走线、互连或电缆终端等导体之间的爬电距离和间隙距离时,必须要确保具有足够的物理隔离。当涉及到连接器时,无论这些零部件是标准的现货还是定制产品,必须要特别注意选择合适的产品。无论是哪种情况,是连接器制造商确定了不同应用和情况下连接器的电压额定值,而不是系统设计人员决定这些。

高电压连接器通常专为特定行业和应用而设计。例如,供应商可能会将某个部件描述为“根据标准IEC 60601,医疗应用额定值为2000V DC”。这为产品设计师提供了一个明确的提示,可以由此确定该连接器是否适合他们的目标应用。

另一方面,某些高压互连元器件的形状和物理特征有时可以清楚地表明其预期用途。例如,铁路车顶连接系统的电缆组件能够将高压架空电缆连接到车载变压器。TE Con​​nectivity 的HVTT和HVTE电缆组件的额定电压为15/25 kV,具有50 / 90kV的交流耐压和125 / 175kV的脉冲耐受电压。就这些组件的尺寸和形状(如图2)而言,它们具有光滑的表面和纹理,不仅可以避免高电场强度,而且可以最大限度地放电。当列车在大雨中静止或缓慢移动时,其设计可用来避免电弧放电。这些组件还有助于避免表面污染物的积聚以防止腐蚀,具有较大的尺寸,直径为90至135毫米,加上精心设计,使其爬电距离能够达到650至1000毫米。

图2:一些高压元件的外形有助于提高其安全性和可靠性。

图2:一些高压元件的外形有助于提高其安全性和可靠性。

高电压功率控制

在某些应用中,需要非常高的电压才能产生激发效应,这些包括用于科学显微镜设备或用于生产半导体掩模电子光刻的X射线管驱动器、毫米波发生器或电子束发生器。尽管施加的电压或许非常高,但电流可能相对较低。

另一方面,高功率系统可以通过升高电压,采用相对较低的电流,从而受益于较低的能量损耗和自发热(由I2R决定),并可减小的导体厚度,这种应用包括从家用电器到变频工业驱动器,或高压直流配电等等。

对于像炉顶感应加热系统或微波炉中通常采用的单端并联谐振转换器等电路,英飞凌IHW30N160R2及其他高压IGBT的击穿电压可高达1600V,能处理高达30A持续集电极电流。它能够以最高60kHz的开关频率工作,这极大地扩展了设计人员的选择范围,可以采用更小的磁性和无源元件。工业标准功率封装使系统设计人员的设计采用更加方便,并在高电压应用中实现电流容量、爬电距离和间隙距离等方面更高的性能。IHW30N160R2采用TO-247,引线宽度略大于1mm,引线间距约为5mm。

尽管像上述英飞凌IGBT器件通常较适用于更高电压、更高电流和更低开关频率下的电源电路,但功率MOSFET则更容易在更低电压、更低电流和更高开关频率下提供更好的性能。随着商用碳化硅(SiC)MOSFET器件的面市,工程师现在可以探索更多方法来实现其所需的高电压、高开关速度(从而允许使用更小的外部元件)以及更低的传导损耗。此外,SiC具有更高的工作温度等其他优势,能够实现更加牢固和可靠的电路,同时降低对散热器或风扇等散热管理系统的要求。

与通常的硅MOSFET相比,SiC器件的这些性能优势源于其宽带隙特性。换句话说,与硅MOSFET的1.1eV相比,SiC器件需要更大的能量(约3.2eV)才可以将电子激发到导带中。由于需要更高的能量,因而击穿电压显著高于相同规模的传统硅片。由此,器件设计人员在创建用于广泛使用的1200V或1700V额定电压高压应用碳化硅MOSFET 时,能够更加自由地优化栅极、漏极和源极区域,以便实现更低的RDS(ON)。

碳化硅器件具有高电流和低损耗,其高导热率可以提高系统功率密度。Cree公司的 C2M系列1200V和1700V SiC MOSFET展示了这种新兴技术如何能够改进高压功率系统设计的标杆。1.2kV C2M0160120D采用业界标准的TO-247封装,可处理高达17.7A的漏极电流,但其RDS(ON)仅为160mΩ。Cree表示其碳化硅MOSFET能够实现传统硅IGBT功率密度的三倍,但仅有20%的损耗。对于太阳能逆变器、不间断电源(UPS)以及高压DC/DC转换器、高性能工业马达驱动器和通用开关电源(SMPS)等能源敏感型应用,C2M系列等SiC功率MOSFET具有非常令人兴奋的应用前景。

结论

在为高达数百甚至数千伏的工作电压设计电路时,需要了解与较低工作电压下不同的材料属性和电场行为。一方面,相对于较低电压,高电压/低电流配置可以允许更小横截面的导体,但是对隔离距离则具有更高的要求,这会妨碍设计者实现最小化电路尺寸,并增加功率密度的目标。像KEMET公司的ArcShield特殊技术可以使标准尺寸的元器件外形能够满足爬电和间隙距离等要求,而在考虑连接器等零部件时,高电压对于外形、尺寸和使用环境下的保护等方面的要求通常比较明显。在功率半导体领域,SiC技术能够在尺寸和性能之间取得更多有利的平衡。

在高工作电压下,必须仔细考虑元器件的选择和应用,以确保实现功能的完整性、可靠性和安全性。

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