對(duì)于將設(shè)計(jì)時(shí)間花在個(gè)位數(shù)、低壓世界的工程師來(lái)說(shuō)，“高壓”一詞可能會(huì)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(wèn)題適用于無(wú)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(wèn)題。當(dāng)您的電壓電位如此之高時(shí)，這是一個(gè)艱難、無(wú)情的世界。微不足道的疏忽會(huì)突然變成危及設(shè)備和生命的重大事件。IC先生建議大家要記住：第一條規(guī)則是在做任何事情之前先停下來(lái)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(wú)選擇，要么是因?yàn)檫@是一個(gè)非常好的和必要的想法。這些應(yīng)用程序分為兩大類(lèi)：

在“工程師別無(wú)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(chǎng)、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(jiàn)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(qǐng)注意，其中許多應(yīng)用需要千伏甚至更高電壓，但電流相對(duì)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(shì)來(lái)刺激粒子，或控制和加速它們的運(yùn)動(dòng)。

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(shí)，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(kāi)關(guān)和有源器件中的 IR（電流 X 電阻）損耗會(huì)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(guò)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(chē)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(lèi)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(wú)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(kāi)始

處理高壓從導(dǎo)體間距和相關(guān)尺寸開(kāi)始。在較高電壓下間隔導(dǎo)體的關(guān)鍵術(shù)語(yǔ)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(duì)于正弦波 AC 信號(hào)，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(huì)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(wú)論是潛在的電擊危險(xiǎn)還是僅僅是功能故障問(wèn)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(qǐng)有經(jīng)驗(yàn)的顧問(wèn)，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(xiāo)售。

轉(zhuǎn)向無(wú)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(wú)源元件的額定電壓；那些支持 IC 和分立器件的幾乎無(wú)數(shù)的電阻器、電容器和電感器。然而，其中每一個(gè)都有最大工作電壓額定值規(guī)格。高于此電壓，組件可能無(wú)法按規(guī)格工作，可能會(huì)“正常”降級(jí)、過(guò)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(qǐng)注意，它可以承受這種過(guò)壓多長(zhǎng)時(shí)間的問(wèn)題取決于供應(yīng)商；它可能短至幾毫秒或長(zhǎng)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(huì)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(huì)選擇額定電壓為 2 到 3 kV 的無(wú)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(zhǎng)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(huì)與電阻器、電容器和電感器等“無(wú)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(wú)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(shí)的主要因素。但是與連接器和電線相比，布線和布局問(wèn)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(mǎi)了。無(wú)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(duì)特定行業(yè)和需求，而不是針對(duì)通用高壓應(yīng)用。例如，供應(yīng)商可能會(huì)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(shí)需要的適用性聲明。

例如，TE Connectivity HVTT 和 HVTE 電纜組件是用于電動(dòng)軌道車(chē)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(chē)和客車(chē)車(chē)頂線和設(shè)備連接，具體取決于具體型號(hào)。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剩绕涫窃?a target="_blank">射頻頻譜。

是使用 MOSFET 還是 IGBT 通常是第一次審查時(shí)難以做出的決定。一般來(lái)說(shuō)，IGBT 更適合更高電壓、更高電流和更低開(kāi)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(kāi)關(guān)頻率較高。

無(wú)論選擇哪種分立功率器件，封裝都由三個(gè)相關(guān)因素決定：電壓，以及爬電和間隙問(wèn)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(wú)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(duì)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(jiǎn)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(kāi)關(guān)速度，這對(duì)于 IGBT 來(lái)說(shuō)已經(jīng)非常快了。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(gè)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(shí)必須如何遵守額定 IGBT 電壓的爬電距離和電氣間隙要求。

對(duì)于高壓 IGBT 與 MOSFET 的選擇，對(duì)于它們都是可行候選者的應(yīng)用，現(xiàn)在有一個(gè)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(duì)于臨界最高工作溫度參數(shù)，SiC 器件可以在超過(guò) 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(shuō)明了這種轉(zhuǎn)變。C2M0160120D 在 17.7A 時(shí)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(yáng)能逆變器、高壓 DC/DC 轉(zhuǎn)換器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、開(kāi)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(wèn)題，以及安全和監(jiān)管問(wèn)題，以形成正確的觀點(diǎn)，同時(shí)尊重高壓可以做什么以及它們?yōu)楹稳绱恕?br />