Articles & Blogs > 掌握高壓被動元件的細微差別

掌握高壓被動元件的細微差別

作者： Bill Schweber 2022-12-01

標籤

目前許多工程師都專注於電源軌為個位的低壓系統，但很明顯有更多不可或缺的設計工作朝向高壓領域發展。當然，我們一直都有使用更高的電壓，才能有效率地為高功率應用供電。然而，由於專注於發展各種類型的電動車 (EV)、可再生能源和相關儲能系統，即著重於能源效率，對於在數百伏以上電壓下運作的電源軌和組件需求亦不斷增加。

儘管許多高壓設計的線路圖看來與其低壓同類產品相似，但打造提供幾伏和幾瓦特的可充電電池子系統，或者 600 至 800 V 下提供千瓦並儲存兆焦耳的電動車電源組時，卻有極大差異。不僅 MOSFET 等主動元件額定值必須針對這些更高的電壓，且相關被動元件 (電阻、電容、觸點、連接器等) 也必須具有適當的額定值。

簡而言之：低壓電路適中的基本準則不再主導設計。這是一個充斥著電弧、火花、絕緣崩潰、接觸磨損和材料退化的嚴酷世界。材料選擇、組件選擇和實體置放若出錯，則代價高昂且通常很危險。重新設計和重新洗板，無論乍看之下多麼微不足道，卻極耗時且令人沮喪，並且需要進行深入的重新設計審查。

高壓設計的涉及層面

如何影響實務？首先，有許多標準定義高壓領域的絕緣、隔離和其他要求。隨著電壓達到數百甚至數千伏，這些標準變得越來越嚴格和具有挑戰性。其中一些標準由與政府相關的監管機構頒布，一些則由產業協會制定，還有一些是由良好的工程實務定義。

其中一項最具體的要求與最小間隙和沿面距離有關。這些在工作電壓高於 30 VAC 或 60 VDC 時生效，因為高於這些位準的電壓認定具有潛在危險。間隙是兩個導體之間隔空的最短距離，而沿面距離是沿著絕緣材料表面的最短距離 (圖 1)。

圖 1：高壓佈局首先需考慮間隙，即兩個導體之間隔空的最短距離，以及沿面距離，這是沿絕緣材料表面的最短距離。(圖片來源：Altium Limited)

印刷電路板佈局對最小間隙和沿面距離的要求因材料、電壓和環境條件而異。IEC 60601 和 IPC 2221 標準是在不同電壓和情境下，導體間距的主要準則，但還有許多其他適用於特定應用的標準。除了這些基本要求外，還有定義絕緣類型和厚度等材料的標準。這裡也有細微差別，例如「UL 列名」和「UL 認可」分類的區別 (參見相關內容)。

組件也大相徑庭

即使設計符合所有實體監管標準，包括與符合設計高壓分類的沿面距離和電氣間隙，但要建立合適的物料清單 (BOM) 仍有很多要務。能夠在數百伏電壓下正常運作並經久耐用的電阻，與中等且良好的 10 至 20 V 區間電阻，相較之下有極大差異。其設計、材料選擇、製程、整體封裝等各個方面都別具一格。

例如，Vishay Dale 的 TNPV 系列汽車級 (AEC-Q200) 薄膜高壓電阻中的 330 kΩ TNPV1206330KBYEA，即專為 1000 V 的作業所設計。其主要用於進行精準的高壓量測，因此採用精密的材料、結構、雷射微調，達到相當嚴格的規格。具備低於 1 ppm/V 的低電壓係數、低至 ±0.1% 的容差以及低至 ±10 ppm/⁰C 的電阻溫度係數 (TCR) (圖 2)。

圖 2：TNPV 系列的電阻結合專業材料、設計和製程，達到所需的高壓操作和容差。(圖片來源：Vishay Dale)

Vishay 指出，微調有助於降低電阻元件各部分的電壓梯度，進而提高高壓下的穩定性。這種先進的設計和構造可確保應用的穩定和精密，看起來只是一個採用標準 3216 (公制) 封裝的普通晶片電阻。

電容的情況類似。以 FHC16I0307K 為例，這是 Kyocera AVX 的 FHC 系列 300 µF 薄膜電容，可保護電動車和混合動力車中的功率半導體。藉由直流濾波和防止漣波電流返回電源，並且平滑化直流匯流排電壓變化來達成。

FHC16I0307K 符合 AEC-Q200 和 IEC 61071-1/IEC 61071-2(電力電子電容標準)，經過特殊處理，在高達 115°C 的工作條件下具有非常高的介電強度，封裝在矩形樹脂填充金屬化塑膠外殼內，尺寸為 237 × 72 × 50 mm (圖 3)。雖然低壓 300 µF 濾波電容十分常見，但這些電容的額定電壓為 450 VDC。他們使用乾式纏繞 (非浸油)、分段、金屬化聚丙烯結構，具有受控的自行修復過程。

圖 3：FHC16I0307K 是專為汽車應用所設計的大容量電容。其額定電壓為 450 VDC，使用金屬化聚丙烯結構，納入金屬化塑膠外殼中。(圖片來源：Kyocera AVX)