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掌握高压无源元件的细节差异

作者： Bill Schweber 2022-12-01

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虽然许多工程师主要从事轨压为个位数的低压系统设计，但现在高压世界中的设计工作也显得愈发明显和重要。当然，更高的电压一直在使用，因为它们需要有效地给高功率应用供电。不过现在随着各种类型的电动汽车 (EV)、可再生能源和相关的储能系统（以及一般上的能效）受到如此多的关注，对工作在数百伏或更高电压的电源轨和元器件的需求也在增加。

尽管许多高压设计在原理图上看起来与它们的低压兄弟姐妹相似，但是与像工作在 600 至 800 伏电压下、提供千瓦功率和储存兆焦耳动力的电动汽车电源组相比，建立一个提供几伏和几瓦的可充电电池子系统是有天壤之别的。不仅是像 MOSFET 这样的有源元件要有更高的额定电压，而且相关的无源元件（电阻器、电容器、接触器、连接器及其他）也必须有适合的额定值。

简言之：低压电路的适度基本准则不再占主导地位。相反，高压世界的环境条件是恶劣的，充满了电弧、火花、绝缘击穿、接触摩擦和材料老化。在材料选择、元件选择和物理放置方面出错，代价是昂贵的，而且往往是危险的，而重新设计和重新规划，无论乍看起来多么微小，都是耗时的、令人沮丧的，而且要进行深入的设计重审。

高压设计的影响

这在实践中意味着什么？首先，有许多标准规定了高压世界的绝缘、隔离和其他要求，而且随着电压进入数百甚至数千伏级别，这些标准变得越来越严格和具有挑战性。这些标准有些是由与政府有联系的监管组织颁布的，有些是由行业协会制定的，有些是由良好的工程实践定义的。

最具体的要求之一是与最小间隙和爬电有关。当工作电压超过交流 30 伏或直流 60 伏时，这些要求就会生效，因为超过这些电压被认为是潜在的危险。间隙是指两个导体之间最短的空气距离，而爬电是指沿着绝缘材料表面的最短距离（图 1）。

图 1：高压布局首先要考虑间隙和爬电，即两个导体之间最短的空气距离以及沿着绝缘材料表面的最短距离。（图片来源：Altium Limited）

印刷电路板布局对最小间隙和爬电距离的要求因材料、电压和环境条件而异。IEC 60601 和 IPC 2221 标准是确定不同电压和情况下导体之间间距的主要准则，但针对具体应用还有许多额外的准则。除了这些基本要求外，还有一些标准规定了绝缘类型和厚度等材料。这里也有一些细微的差别，如“UL 列名”和“UL 认可”分类之间的区别（见相关内容）。

元器件也有大不同

即使一个设计符合所有的物理监管标准，包括与设计的高压分类相称的爬电和间隙，要创建一个合适的物料清单 (BOM) 也有很多工作要做。一个能在数百伏电压下正常工作的电阻，与一个用于温和的 10 至 20 伏区域的电阻相比，是非常不同的。其设计、材料选择、生产过程和整体包装的每个方面都是独一无二的。

例如，Vishay Dale TNPV 系列车规级 (AEC-Q200) 薄膜高压电阻器，如330 千欧 (kΩ) TNPV1206330KBYEA 设计用于 1000 伏工作电压。由于它们主要用于精确的高电压测量，其复杂的材料、结构和激光修整产生了相当严格的规格。其中，低电压系数低于每伏百万分之一 (ppm/V)，公差低至 ±0.1%，电阻温度系数 (TCR) 低至 ±10 ppm/⁰C（图 2）。

图 2：TNPV 系列中的电阻器使用了专门的材料、设计和制造工艺组合，以实现所需的高压操作能力和公差要求。（图片来源：Vishay Dale）

Vishay 指出，精细修剪有助于减少沿电阻元件段的电压梯度，从而提高高电压下的稳定性。这种先进的设计和结构确保了在标准 3216（公制）封装中看起来很普通的片式电阻器的应用稳定性和精确度。

电容器情形也类似。比例 FHC16I0307K，这是一个来自 Kyocera AVX 的 FHC 系列的300 微法 (µF) 薄膜电容器，用于保护电动和混动汽车的功率半导体。它通过提供直流滤波，防止纹波电流回到电源，以及平滑直流母线电压变化来实现这一目的。

FHC16I0307K 符合 AEC-Q200 和 IEC 61071-1/IEC 61071-2（用于电力电子电容器）标准，经过特殊处理，在高达 115°C 的工作温度下具有极高的介电强度。它们封装在一个 237 × 72 × 50 mm 的矩形树脂填充金属化塑料外壳中（图 3）。虽然低压 300μF 滤波电容非常常见，但这些电容的额定电压是 450 伏直流电压。它们采用干式绕线（非注油）、分段式、金属化聚丙烯结构，具有可控的自愈过程。

图 3：FHC16I0307K 大容量电容器是为汽车使用而设计的。其额定电压为 450 伏直流，采用金属化聚丙烯结构，并封装在一个金属化塑料外壳内。（图片来源：Kyocera AVX）

此外，分段式金属化技术的一个独特特征是电容器在其使用寿命结束时的作用。与表现出短路故障模式的电解电容器不同，这些薄膜电容器只会经历电容的参数性损失，没有灾难性的故障模式。相反，该电容器在其寿命中逐渐和优雅地失去电容，最终成为一个开路结构。

结语

虽然从原理上看，高压电路与低压电路可能看起来相似，但因为涉及数百伏或者更高的电压系统，设计师需要充分认识到，他们需要应付一系列挑战，包括法规、布局、结构材料、元件选择和最终物料清单。综上所述，在选择合适的有源和无源元件时，设计者需要密切关注规格书、厂家定义和元件参数。我可能还建议您就设计具体细节直接与厂家沟通，以确保无误。