Для инженеров, которые проводят свое время в проектировании в низковольтном мире, фраза «высокое напряжение» может вызывать в воображении напряжения в двузначных числах, возможно, до 24 В или 48 В постоянного тока, или даже трехзначную область линейных напряжений 120/240 В переменного тока. Тем не менее, есть огромный и важный мир инженерного проектирования, который должен выполняться при 1000 В, 1500 В и более высоких напряжениях.

Проектирование продуктов для этой области требует совершенно иного мышления, выбора компонентов и взаимосвязей, часто в областях, которые проектировщики низковольтных продуктов даже не должны рассматривать. Эти опасения касаются пассивных компонентов, разъемов, межсоединений проводов, МОП-транзисторов/БТИЗ , компоновки и, конечно же, вопросов безопасности и регулирования. Это сложный, беспощадный мир, когда ваши потенциалы напряжения настолько высоки. Тривиальные оплошности могут внезапно стать серьезными событиями, опасными для оборудования и жизни. Помните: правило номер 1 — остановиться и подумать, прежде чем что-либо сделать; правило номер 2 — снова применить правило номер 1, возможно, несколько раз.

Необходимость высокого напряжения

Учитывая проблемы и риски, почему инженеры-конструкторы вообще рассматривают возможность использования этих напряжений? Либо потому, что у инженера нет выбора, либо потому, что это действительно хорошая и необходимая идея. Приложения делятся на две большие группы:

В области «у инженера нет выбора» научные, медицинские и физические приборы нуждаются в высоком напряжении в специализированном оборудовании, таком как рентгеновские аппараты, для создания полей высокой интенсивности, ионизации атомов и ускорения электронов и других частиц. То же самое относится к вакуумным трубкам, которые по-прежнему применяются в микроволновых и миллиметровых передатчиках средней мощности. В более распространенном применении даже коммерческая неоновая вывеска нуждается в нескольких кВ для ионизации благородных газов внутри. Обратите внимание, что многие из этих приложений требуют напряжений киловольт и больше, но при относительно скромных токах около 100 мА.

Во многих научных экспериментах для стимуляции частиц или управления и ускорения их движения требуются потенциалы в тысячи вольт при слабом токе.

В случаях, когда использование высоких напряжений является «действительно хорошей и необходимой идеей», инженеры используют их для повышения мощности и эффективности электронных проектов. Когда источник питания или двигатель должен вырабатывать большое количество энергии, источник должен выдавать ватты, которые являются произведением напряжения и тока. Но при более низких напряжениях токи, очевидно, выше, поэтому потери IR (ток X сопротивление) в проводниках, разъемах, переключателях и активных устройствах вызывают неэффективность, потери и нагрев I2R.

Чтобы свести к минимуму потери на электрическое сопротивление в кабелях, разъемах, магнитах и ​​активных компонентах, двигатели проектируются для работы от сети с очень высоким напряжением.

Способ минимизации этих потерь заключается в увеличении напряжения и, таким образом, уменьшении тока, тем самым уменьшая потери IR и нагрев I2R. Вот почему, например, электровозы работают при 20 кВ, а линии переменного тока энергокомпаний могут работать при 100 кВ и более. Если бы мы эксплуатировали такое оборудование при более низких напряжениях, основные линейные и другие потери — как в виде стоимости эффективности, так и рассеивания тепла — были бы значительными и не могли бы быть допустимыми. В отличие от научных, медицинских и физических приборов, упомянутых выше, эти конструкции «подачи питания» могут быть на десятках или сотнях ампер, в дополнение к их киловольтному рейтингу.

Начните с физических измерений

Работа с высоким напряжением начинается с расстояния между проводниками и связанных с ним размеров. Критические термины для расстояния между проводниками при более высоких напряжениях — это утечка и зазор.

• Длина пути утечки — это расстояние, которое может преодолеть дуга, измеренное по поверхности, например, между двумя дорожками на печатной плате или по поверхности разъема или ИС (интегральной схемы).
• Зазор — это кратчайшее расстояние, которое может преодолеть дуга по воздуху, например, от контакта до контакта разъема или ИС.

Требования к утечке и зазору являются функцией пикового напряжения; для синусоидального сигнала переменного тока пиковое значение в 1,4 раза превышает среднеквадратичное значение, плюс существенный коэффициент безопасности. Хотя было бы неплохо иметь возможность указать конкретные требования к утечке и размерам зазора при любом заданном напряжении, сделать это невозможно, поскольку их размеры зависят от многих факторов:

1. Является ли это потенциальной опасностью поражения электрическим током или только проблемой функционального сбоя.
2. Регион мира: разные зоны имеют разные стандарты.
3. Применение: например, научное, промышленное или медицинское, или даже потребительский продукт.
4. Максимальная рабочая высота и влажность (сухой воздух на уровне моря имеет разрядную характеристику около 4 кВ/см или 10 кВ/дюйм).
5. На печатных платах и ​​других поверхностях: степень потенциального загрязнения, которое можно ожидать из-за различных видов загрязнений; группа материала печатной платы; и покрытие (если имеется).

Поэтому необходимо провести серьезные исследования, чтобы определить требуемые минимальные значения длины пути утечки и зазора, или инженерам, возможно, придется обратиться к опытному консультанту, особенно если для конечного продукта потребуется официальное разрешение регулирующих органов на производство и продажу.

Переходим к пассивным компонентам

Проектировщикам, работающим при более низких напряжениях, редко приходится смотреть на номинальные напряжения своих основных пассивных компонентов; тех почти бесчисленных резисторов, конденсаторов и индукторов, которые поддерживают ИС и дискретные устройства. Тем не менее, у каждого из них есть максимальное рабочее напряжение. Выше этого напряжения компонент может не работать в соответствии со спецификацией, может «изящно» деградировать, преждевременно выйти из строя или потерпеть катастрофический отказ.

Например, максимально допустимое напряжение конденсатора может быть указано как «10ΩF/15 В постоянного тока». Обратите внимание, что вопрос о том, как долго он может выдерживать это перенапряжение, зависит от поставщика; оно может быть как миллисекундным, так и минутным, поэтому инженеры должны смотреть на определения поставщика. Если использовать его при 100 В, то, скорее всего, между внутренними слоями конденсатора возникнет дуга, которая закоротит их и разрушит функцию емкости. Большинство проектировщиков предпочитают работать с коэффициентом безопасности, в два-три раза превышающим их ожидаемое максимальное напряжение, поэтому проектировщик цепи постоянного тока напряжением 1 кВ выберет пассивные элементы, рассчитанные на напряжение от 2 до 3 кВ.

Например, литой радиальный многослойный конденсатор типа AVX SXP (рис. ниже) выпускается с различными максимальными номинальными напряжениями до 3000 В. Самый большой представитель семейства, SXP4, доступен в диапазоне от 100 пФ до 2200 пФ и имеет размеры 22,4 × 16,3 × 5,84 мм в толщину, с расстоянием между выводами 19,8 мм (примерно длина стандартной канцелярской скрепки).

Этот конденсатор серии AVX SXP рассчитан на напряжение 3000 В и имеет расстояние между выводами чуть менее 20 мм.

Разъемы и кабели

Что насчет разъемов и кабелей? Хотя их часто не рассматривают вместе с «пассивными» компонентами, такими как резисторы, конденсаторы и индукторы, они также являются критически важным звеном в цепи высокого напряжения и имеют многие из тех же параметров, что и основные пассивные компоненты. Как и в случае с компоновкой и проводкой, утечка и зазор являются основными факторами при выборе высоковольтных межсоединений. Но есть разница между проблемами в проводке и компоновке по сравнению с разъемами и проводами: проектировщики схем и систем обычно не проектируют разъемы; они их покупают. Будь то стандартная, готовая деталь или изготовленная на заказ, именно производитель разъема определяет номинальное напряжение разъема для различных приложений и ситуаций.

Почти все высоковольтные разъемы предназначены для конкретных отраслей и потребностей, а не для решения задач общего назначения в области высоковольтных приложений. Поставщик может, например, обозначить данный разъем как «рассчитанный на 2000 В постоянного тока для медицинских приложений в соответствии со стандартом IEC60601», что обеспечивает своего рода заявление о пригодности для использования, которое необходимо разработчику системы при выборе разъема.

Например, кабельные сборки TE Connectivity HVTT и HVTE представляют собой высоковольтные соединительные кабели и разъемы для использования на электрических рельсовых транспортных средствах и рассчитаны на 15/25 кВ для линий крыши вагонов и соединений оборудования в зависимости от конкретной модели. В дополнение к их базовому рабочему номиналу постоянного тока они имеют выдерживаемое напряжение переменного тока 50/90 кВ и выдерживаемое импульсное напряжение до 125/175 кВ. Конечно, это большие разъемы с диаметром от 90 до 135 мм и длиной пути утечки от 650 до 1000 мм. Их концевые муфты включают прочную гибкую термоусадочную трубку для защиты от влаги и герметизации открытой окончательной сборки.

Также необходимы высоковольтные активные устройства

Высоковольтные конструкции требуют больше, чем просто маршрутизацию тока при высоком потенциале. Конструкция также включает в себя управление и переключение тока при высоком напряжении. IGBT и MOSFET являются наиболее распространенными устройствами, используемыми здесь, хотя вакуумные электронные приборы (VED), часто называемые вакуумными трубками, по-прежнему играют удивительно большую роль в этой области, поскольку они могут обрабатывать и рассеивать большие объемы мощности, особенно в радиочастотном спектре.

Выбор MOSFET или IGBT часто бывает сложным при первом рассмотрении. В целом, IGBT лучше подходят для комбинаций более высокого напряжения, более высокого тока и более низких частот переключения. MOSFET лучше подходят для комбинаций более низкого напряжения и более низкого тока, но при более высоких частотах переключения.

Независимо от того, какое дискретное силовое устройство выбрано, корпус определяется тремя связанными факторами: напряжением, опять же с учетом проблем утечки и зазоров; током, с большими размерами выводов для снижения падения IR (ток x сопротивление); и рассеиванием мощности, включая низкое тепловое сопротивление от кристалла до корпуса для максимального отвода внутреннего тепла, будь то из-за сопротивления открытого канала RDS(on) в МОП-транзисторах или падения напряжения на диодах в БТИЗ, за пределы кристалла и корпуса.

Например, IGBT IRG7PK35UD1 компании International Rectifier рассчитан на напряжение 1400 В и предназначен для мощных однотактных параллельно-резонансных преобразователей мощности, используемых в индукционных нагревательных системах и микроволновых печах (рис. ниже).

IGBT-транзистор International Rectifier IRG7PK35UD1 оптимизирован для применения в бытовой технике и выпускается в стандартном корпусе TO-247 со сквозными отверстиями, что позволяет снизить затраты и упростить установку на печатные платы.

В дополнение к рейтингу 1400 В этот IGBT транзистор поддерживает непрерывный ток коллектора 40 А и скорости переключения от 8 до 30 кГц, что очень быстро для IGBT. Благодаря напряжению, току и максимальному рейтингу рассеивания 167 Вт он размещен в стандартном для отрасли корпусе TO-247. Ширина каждого из трех выводов корпуса составляет чуть более 1 мм, а минимальное разделение выводов составляет около 5 мм, что соответствует рейтингу 1400 В/40 А (рис. ниже).

Габаритный чертеж TO-247 показывает, как он должен соответствовать требованиям по путям утечки и зазорам для номинальных напряжений IGBT при работе с двузначными токами. 

Выбор высоковольтного IGBT против MOSFET для приложений, где они оба являются жизнеспособными кандидатами, теперь имеет дополнительное измерение: коммерческая доступность MOSFET на основе карбида кремния (SiC), а не только традиционного кремния. В SiC-устройстве более широкая запрещенная зона и другие подробные физические характеристики приводят к пробивным напряжениям, которые могут быть в 10 раз выше, чем у кремния. Результатом является то, что можно изготовить SiC MOSFET, которые намного тоньше и меньше и способны проводить больше тока с меньшими потерями, несмотря на другие ограничения в SiC-устройстве. Кроме того, SiC имеет гораздо более высокую теплопроводность по сравнению с кремнием, что приводит к превосходной плотности мощности. Для критического параметра максимальной рабочей температуры SiC-устройства могут работать при температуре перехода более 150 °C, что снижает затраты на радиатор и упаковку на системном уровне.

Компания Cree предлагает семейство C2M SiC MOSFET 1220 В и 1700 В, также в корпусах TO-247, которые иллюстрируют этот сдвиг. C2M0160120D рассчитан на 1,2 кВ при 17,7 А, с RDS(on) всего 160 мОм и имеет номинальную мощность рассеивания 125 Вт; их C2M0160120D также является устройством на 1,2 кВ, но для токов до 90 А, с RDS(on) всего 25 мОм и максимальной мощностью рассеивания 463 Вт. Это семейство хорошо подходит для солнечных инверторов, высоковольтных DC/DC-преобразователей, приводов двигателей, импульсных источников питания (SMPS) и источников бесперебойного питания (ИБП). Компания Cree утверждает, что их SiC MOSFET-транзисторы имеют в три раза большую плотность мощности, чем кремниевые IGBT, и всего 20 процентов потерь — оба эти улучшения весьма существенны как показано на следующем рисунке.

МОП-транзисторы на основе карбида кремния обеспечивают существенно лучшую эффективность и плотность при высоком напряжении/токе, чем примерно сопоставимые кремниевые МОП-транзисторы и БТИЗ; 300 А SiC более производительны, чем 600 А БТИЗ (показано: 250 А RMS при 500 В;)

Несмотря на многочисленные проблемы проектирования непосредственно с этими высокими напряжениями или даже просто вокруг них, они являются неизбежным, существенным аспектом многих продуктов. Вот почему инженерам важно быть знакомыми с сопутствующими аспектами проектирования и основными вопросами, связанными с высоким напряжением, а также с проблемами безопасности и регулирования, чтобы выработать надлежащую перспективу и уважение к тому, что могут делать высокие напряжения и почему они нужны.

6 просмотров