使用高压电子设计？这些规范知识你应该知道的

对于将设计时间花在个位数、低压世界的工程师来说，“高压”一词可能会让人联想到两位数的电压，可能高达 24V 或 48V DC，甚至是三位数的电压域120/240 VAC 的线路电压。然而，必须在 1000V、1500V 和更高电压下完成大量重要的工程设计。

为该地区设计产品需要截然不同的思维、组件选择和互连，而低压产品设计人员通常甚至不必考虑这些领域。这些问题适用于无源元件、连接器、布线互连、 MOSFET/IGBT、布局，当然还有安全和监管问题。当您的电压电位如此之高时，这是一个艰难、无情的世界。微不足道的疏忽会突然变成危及设备和生命的重大事件。IC先生建议大家要记住：第一条规则是在做任何事情之前先停下来思考；规则 2 再次调用规则 1，可能多次。

需要高压

考虑到挑战和风险，为什么设计工程师还要考虑使用这些电压呢？这要么是因为工程师别无选择，要么是因为这是一个非常好的和必要的想法。这些应用程序分为两大类：

在“工程师别无选择”的领域，科学、医学和物理仪器需要 X 光机等专用设备中的高电压，以产生高强度场、电离原子并加速电子和其他粒子。这同样适用于仍然需要大功率广播甚至中等功率微波和毫米波发射器的真空管。在更常见的应用中，即使是商业霓虹灯也需要几 kV 才能电离内部的惰性气体。请注意，其中许多应用需要千伏甚至更高电压，但电流相对适中，约为 100mA。

许多科学实验需要数千伏特的低电流电势来刺激粒子，或控制和加速它们的运动。

在使用高压是“非常好的和必要的想法”的情况下，工程师正在设计功率和效率。当电源或电机需要产生大量功率时，电源必须提供瓦特，瓦特是电压和电流的乘积。但在较低电压下，电流明显较高，因此导体、连接器、开关和有源器件中的 IR（电流 X 电阻）损耗会导致效率低下、损耗和 I2R 发热。

为了最大限度地减少电缆、连接器、磁性元件和有源元件中的 IR 损耗，电机被设计为在非常高的电压下通过电源运行。

最小化这些损耗的方法是增加电压从而降低电流，从而减少 IR 损耗和 I2R 发热。这就是为什么，例如，电力机车在 20 kV 下运行，而电力公司的交流馈线可以在 100 kV 或更高电压下运行。如果我们要在较低的电压下运行此类设备，则基本线路和其他损耗（包括效率成本和散热）将非常显着且无法容忍。与上面引用的科学、医学和物理仪器应用相比，这些“功率传输”设计除了千伏额定值外，还可以达到数十或数百安培。

从物理尺寸开始

处理高压从导体间距和相关尺寸开始。在较高电压下间隔导体的关键术语是爬电距离和电气间隙。

爬电距离是指电弧在表面上行进的距离，例如印刷线路板上的两条走线之间或连接器或 IC 的表面。

电气间隙是电弧在空气中传播的最短距离，例如从连接器或 IC 的引脚到引脚。

爬电距离和电气间隙要求是峰值电压的函数；对于正弦波 AC 信号，峰值是 RMS 值的 1.4 倍，加上相当大的安全系数。虽然能够在任何给定电压下提出特定的爬电距离和间隙尺寸要求会很好，但这样做是不可能的，因为它们的尺寸取决于许多因素：

无论是潜在的电击危险还是仅仅是功能故障问题，

世界各区域：不同区域有不同标准，

应用：例如科学、工业或医学，甚至是消费品，

最大工作高度和湿度（海平面干燥空气的闪络额定值约为 4kV /cm，或 10kV/inch），

跨 PC 板和其他表面：由于各种污染而可能导致的潜在污染程度；PCB材料组；和涂层（如果有的话）。

因此，需要认真研究以确定所需的最小爬电距离和电气间隙值，或者工程师可能需要请有经验的顾问，特别是如果最终产品需要正式的监管批准才能制造和销售。

转向无源元件

在较低电压下工作的设计人员很少需要查看其基本无源元件的额定电压；那些支持 IC 和分立器件的几乎无数的电阻器、电容器和电感器。然而，其中每一个都有最大工作电压额定值规格。高于此电压，组件可能无法按规格工作，可能会“正常”降级、过早失效或遭受灾难性故障。

例如，电容器可能被指定为“10μF/15 VDC”，这是它应该允许看到的最大额定电压。请注意，它可以承受这种过压多长时间的问题取决于供应商；它可能短至几毫秒或长达几分钟，因此工程师必须查看供应商定义。如果在100V下使用，很可能会在电容器内层之间产生拉弧，使它们短路，破坏电容功能。大多数设计人员喜欢使用其预期最大电压的两到三倍的安全系数，因此 1 kV 直流电路的设计人员会选择额定电压为 2 到 3 kV 的无源器件。

例如，AVX SXP 型模压径向多层电容器具有各种最大额定电压，最高可达 3000 V。该系列中最大的成员 SXP4 的容量范围为 100pF 至 2200pF，并且尺寸为 22.4 × 16.3 × 5.84 毫米厚，引线间距为 19.8 毫米（大约是标准回形针的长度）。

AVX SXP 系列中的这款电容器额定电压为 3000V，引线间距略低于 20 毫米。

连接器和电缆

连接器和电缆呢？尽管它们通常不会与电阻器、电容器和电感器等“无源”元件一起考虑，但它们也是高压链中的关键环节，并且具有许多与基本无源元件相同的参数。与布局和布线一样，爬电距离和间隙是选择高压互连时的主要因素。但是与连接器和电线相比，布线和布局问题之间存在差异：电路和系统设计人员通常不设计连接器；他们买了。无论是标准的、现成的部件，还是定制设计的部件，都是连接器制造商为不同的应用和情况确定和定义连接器的额定电压。

几乎所有高压连接器都针对特定行业和需求，而不是针对通用高压应用。例如，供应商可能会将给定的连接器称为“根据 IEC60601 标准，医疗应用的额定电压为 2000 V DC”，这提供了系统设计人员在选择连接器时需要的适用性声明。

例如，TE Connectivity HVTT 和 HVTE 电缆组件是用于电动轨道车辆的高压互连电缆和连接器，额定电压为 15/25 kV，适用于汽车和客车车顶线和设备连接，具体取决于具体型号。除了基本的直流工作额定值外，它们还具有 50/90kV 的交流耐压和高达 125/175kV 的脉冲耐压。当然，这些都是大型连接器，直径为 90 至 135 毫米，爬电距离为 650 至 1000 毫米。它们的端接包括重型柔性收缩管，以防止水分和密封件进入暴露的最终组件。

还需要高压有源器件

高压设计需要的不仅仅是在高电位下路由电流。该设计还涉及在高压下控制和切换电流。IGBT 和 MOSFET 是这里最常用的器件，尽管真空电子器件 (VED)（通常称为真空管）在这一领域仍然发挥着惊人的重要作用，因为它们可以处理和耗散大量功率，尤其是在射频频谱。

是使用 MOSFET 还是 IGBT 通常是第一次审查时难以做出的决定。一般来说，IGBT 更适合更高电压、更高电流和更低开关频率的组合。MOSFET 更适合较低电压和较低电流的组合，但开关频率较高。

无论选择哪种分立功率器件，封装都由三个相关因素决定：电压，以及爬电和间隙问题；电流，具有更大的引线尺寸以减少 IR（电流 x 电阻）压降；和功耗，包括从管芯到外壳的低热阻抗，以最大限度地增加内部产生的热量，无论是由于 MOSFET 中的导通电阻 RDS(on) 还是 IGBT 中的二极管压降，管芯和封装。

例如，International Rectifier 的 IRG7PK35UD1 IGBT 额定电压为 1400 V，目标是用于炉顶感应加热系统和微波炉的更高功率、单端、并联谐振功率转换器。

International Rectifier IRG7PK35UD1 IGBT 针对家用电器应用进行了优化，采用标准通孔 TO-247 封装以降低成本并简化 PC 板上的安装使用。

除了 1400V 的额定电压外，该 IGBT 还支持 40A 的连续集电极电流和 8 至 30kHz 的开关速度，这对于 IGBT 来说已经非常快了。由于电压、电流和最大额定耗散功率为 167W，它采用行业标准的 TO-247 封装。三个封装引线的宽度均略高于 1 毫米，而最小引线间距约为 5 毫米，与 1400V/40A 额定值相当。

TO-247 尺寸图显示了它在处理两位数电流时必须如何遵守额定 IGBT 电压的爬电距离和电气间隙要求。

对于高压 IGBT 与 MOSFET 的选择，对于它们都是可行候选者的应用，现在有一个额外的维度：基于碳化硅 (SiC) 而不是单独使用传统硅的 MOSFET 的商业可用性。在 SiC 器件中，较宽的带隙和其他详细的物理特性导致击穿电压可能比硅高 10 倍。结果是，尽管 SiC 器件存在其他限制，但可以制造更薄、更小的 SiC MOSFET，并且能够以更少的损耗承载更多电流。此外，与硅相比，SiC 具有高得多的热导率，从而产生出色的功率密度。对于临界最高工作温度参数，SiC 器件可以在超过 150°C 的结温下运行，

Cree 提供 C2M 系列 1220V 和 1700V SiC MOSFET，同样采用 TO-247 封装，这说明了这种转变。C2M0160120D 在 17.7A 时的额定电压为 1.2kV，RDS(on) 仅为 160mΩ，额定功耗为 125W；他们的 C2M0160120D 也是 1.2kV 器件，但电流高达 90A，RDS(on) 仅为 25mΩ，最大额定耗散功率为 463W。该系列非常适合太阳能逆变器、高压 DC/DC 转换器、电机驱动、开关模式电源 (SMPS) 和不间断电源 (UPS) 设计。Cree 声称他们的 SiC MOSFET 的功率密度是硅基 IGBT 的三倍，而损耗仅为硅基 IGBT 的 20%——这两项都是非常显着的改进。

基于碳化硅的 MOSFET 比大致相当的硅 MOSFET 和 IGBT 提供更好的高压/大电流效率和密度；300A SiC 比 600A IGBT 更强大

尽管直接使用这些高电压（或什至只是围绕这些高电压进行设计）存在许多挑战，但它们是许多产品不可避免的重要方面。这就是为什么工程师必须熟悉相关的设计方面和与高压相关的基本问题，以及安全和监管问题，以形成正确的观点，同时尊重高压可以做什么以及它们为何如此。