在設(shè)計(jì)師努力實(shí)現(xiàn)小型化設(shè)計(jì)時，如果牽涉到高工作電壓，物理定律會給設(shè)計(jì)帶來很多限制。精心選擇元器件有助于盡可能有效地利用空間，同時確保設(shè)計(jì)的安全性和可靠性。

工程師在設(shè)計(jì)工作電壓高于幾百伏的設(shè)備時會遇到某些限制，這與通常的目標(biāo)背道而馳： 即在由行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)或市場預(yù)期確定的小體積內(nèi)實(shí)現(xiàn)盡可能多的功能，并達(dá)到最佳的性能。

相反，對于高工作電壓設(shè)計(jì)其物理尺寸應(yīng)滿足一個最低的要求，以確保安全。當(dāng)普通的電介質(zhì)材料在施加高電壓時，其性質(zhì)雖然不是被認(rèn)為理所當(dāng)然要發(fā)生，但很可能會被改變，導(dǎo)致支撐電極之間的絕緣體產(chǎn)生電弧，或者發(fā)生電荷傳導(dǎo)而不是被阻斷。電弧會永久性地?fù)p壞設(shè)備或部件，而絕緣體擊穿則可能會對用戶造成電擊風(fēng)險。

安全性和尺寸限制

至關(guān)重要的是所選擇的材料和元器件不僅要具有合適的電壓額定值，通常其額定電壓應(yīng)至少為最大工作電壓的兩倍，而且還要確保合適的爬電距離和間隙距離。

·爬電是指兩個具有不同電位電極之間的電場在電介質(zhì)表面上擴(kuò)散的現(xiàn)象。電場越大，也就是千伏/毫米(kV/mm)為單位測量的值越大，在電極間防止電弧放電所需的爬電距離就越大。

·電氣間隙是防止兩個具有不同電位電極之間產(chǎn)生電弧所需的最小距離，電極僅通過空氣分開。

在這些描述中，應(yīng)該澄清的是，術(shù)語“電極”可以指代各種類型的導(dǎo)體，例如元器件的端子、PCB跡線、連接器引腳或者這些導(dǎo)體的任何組合，它們可能具有不同的電壓但又彼此靠近。而電介質(zhì)則可以是元器件的外部封裝、PCB表面或連接器的絕緣部件。

以多層陶瓷電容器(MLCC)為例，低至約300V的工作電壓便能夠建立足夠強(qiáng)的電場，如果元器件選擇不當(dāng)，所施加的能量便可以通過電弧擊穿其表面，而不是通過電容器傳輸。這可能會導(dǎo)致電容器介質(zhì)擊穿，出現(xiàn)短路，最終導(dǎo)致設(shè)備故障。

雖然能夠很方便地根據(jù)所施加的電壓確定最小爬電距離和間隙距離，但實(shí)際上也需要考慮許多其他變量，例如環(huán)境條件、對用戶或設(shè)備造成的風(fēng)險以及針對特定行業(yè)或市場的安全標(biāo)準(zhǔn)等等，這些需要設(shè)計(jì)師根據(jù)不同應(yīng)用的特點(diǎn)具體考慮。例如，高環(huán)境濕度或電介質(zhì)表面污染可使電離更加容易，導(dǎo)致電弧放電的可能性增大。為了防止污染，可以在電阻器或片式電容器等類型的組件表面增加一種保護(hù)性玻璃涂層，或者可以將保形涂層(conformal coating)施加至PCB。

AVX的SXP模制徑向多層電容器展示了如何設(shè)計(jì)具有更長爬電距離和間隙距離的高壓被動元件。該產(chǎn)品系列中體積最大的成員SXP4電容值范圍為100pF至2700pF，外形尺寸為22.4mm x 16.3mm x 5.84mm，引腳間距為19.8 mm。這個間距大約是標(biāo)準(zhǔn)回形針的長度。

圖1：具有內(nèi)部電弧保護(hù)的KEMET高壓陶瓷電容器。

先進(jìn)的元器件技術(shù)可以確保在更小的整體尺寸內(nèi)實(shí)現(xiàn)出眾的爬電距離和間隙距離，KEMET的ArcShield™技術(shù)就是其中一例。諸如C1210W683KDRACTU X7R 多層陶瓷電容器(MLCC)等ArcShield電容器在元器件內(nèi)部包含一個屏蔽電極，可有效降低整個元器件表面的電場強(qiáng)度，從而防止可能導(dǎo)致電弧放電的條件。這項(xiàng)技術(shù)使得尺寸為0603的片式電容器能夠支持高達(dá)1kV的工作電壓。

電纜和連接器

在系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員考慮諸如PCB走線、互連或電纜終端等導(dǎo)體之間的爬電距離和間隙距離時，必須要確保具有足夠的物理隔離。當(dāng)涉及到連接器時，無論這些零部件是標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)貨還是定制產(chǎn)品，必須要特別注意選擇合適的產(chǎn)品。無論是哪種情況，是連接器制造商確定了不同應(yīng)用和情況下連接器的電壓額定值，而不是系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員決定這些。

高電壓連接器通常專為特定行業(yè)和應(yīng)用而設(shè)計(jì)。例如，供應(yīng)商可能會將某個部件描述為“根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)IEC 60601，醫(yī)療應(yīng)用額定值為2000V DC”。這為產(chǎn)品設(shè)計(jì)師提供了一個明確的提示，可以由此確定該連接器是否適合他們的目標(biāo)應(yīng)用。

另一方面，某些高壓互連元器件的形狀和物理特征有時可以清楚地表明其預(yù)期用途。例如，鐵路車頂連接系統(tǒng)的電纜組件能夠?qū)⒏邏杭芸针娎|連接到車載變壓器。TE Con​​nectivity 的HVTT和HVTE電纜組件的額定電壓為15/25 kV，具有50 / 90kV的交流耐壓和125 / 175kV的脈沖耐受電壓。就這些組件的尺寸和形狀(如圖2)而言，它們具有光滑的表面和紋理，不僅可以避免高電場強(qiáng)度，而且可以最大限度地放電。當(dāng)列車在大雨中靜止或緩慢移動時，其設(shè)計(jì)可用來避免電弧放電。這些組件還有助于避免表面污染物的積聚以防止腐蝕，具有較大的尺寸，直徑為90至135毫米，加上精心設(shè)計(jì)，使其爬電距離能夠達(dá)到650至1000毫米。

圖2：一些高壓元件的外形有助于提高其安全性和可靠性。

高電壓功率控制

在某些應(yīng)用中，需要非常高的電壓才能產(chǎn)生激發(fā)效應(yīng)，這些包括用于科學(xué)顯微鏡設(shè)備或用于生產(chǎn)半導(dǎo)體掩模電子光刻的X射線管驅(qū)動器、毫米波發(fā)生器或電子束發(fā)生器。盡管施加的電壓或許非常高，但電流可能相對較低。

另一方面，高功率系統(tǒng)可以通過升高電壓，采用相對較低的電流，從而受益于較低的能量損耗和自發(fā)熱(由I2R決定)，并可減小的導(dǎo)體厚度，這種應(yīng)用包括從家用電器到變頻工業(yè)驅(qū)動器，或高壓直流配電等等。

對于像爐頂感應(yīng)加熱系統(tǒng)或微波爐中通常采用的單端并聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器等電路，英飛凌IHW30N160R2及其他高壓IGBT的擊穿電壓可高達(dá)1600V，能處理高達(dá)30A持續(xù)集電極電流。它能夠以最高60kHz的開關(guān)頻率工作，這極大地擴(kuò)展了設(shè)計(jì)人員的選擇范圍，可以采用更小的磁性和無源元件。工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)功率封裝使系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)采用更加方便，并在高電壓應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)電流容量、爬電距離和間隙距離等方面更高的性能。IHW30N160R2采用TO-247，引線寬度略大于1mm，引線間距約為5mm。

盡管像上述英飛凌IGBT器件通常較適用于更高電壓、更高電流和更低開關(guān)頻率下的電源電路，但功率MOSFET則更容易在更低電壓、更低電流和更高開關(guān)頻率下提供更好的性能。隨著商用碳化硅(SiC)MOSFET器件的面市，工程師現(xiàn)在可以探索更多方法來實(shí)現(xiàn)其所需的高電壓、高開關(guān)速度(從而允許使用更小的外部元件)以及更低的傳導(dǎo)損耗。此外，SiC具有更高的工作溫度等其他優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)更加牢固和可靠的電路，同時降低對散熱器或風(fēng)扇等散熱管理系統(tǒng)的要求。

與通常的硅MOSFET相比，SiC器件的這些性能優(yōu)勢源于其寬帶隙特性。換句話說，與硅MOSFET的1.1eV相比，SiC器件需要更大的能量(約3.2eV)才可以將電子激發(fā)到導(dǎo)帶中。由于需要更高的能量，因而擊穿電壓顯著高于相同規(guī)模的傳統(tǒng)硅片。由此，器件設(shè)計(jì)人員在創(chuàng)建用于廣泛使用的1200V或1700V額定電壓高壓應(yīng)用碳化硅MOSFET 時，能夠更加自由地優(yōu)化柵極、漏極和源極區(qū)域，以便實(shí)現(xiàn)更低的RDS(ON)。

碳化硅器件具有高電流和低損耗，其高導(dǎo)熱率可以提高系統(tǒng)功率密度。Cree公司的 C2M系列1200V和1700V SiC MOSFET展示了這種新興技術(shù)如何能夠改進(jìn)高壓功率系統(tǒng)設(shè)計(jì)的標(biāo)桿。1.2kV C2M0160120D采用業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的TO-247封裝，可處理高達(dá)17.7A的漏極電流，但其RDS(ON)僅為160mΩ。Cree表示其碳化硅MOSFET能夠?qū)崿F(xiàn)傳統(tǒng)硅IGBT功率密度的三倍，但僅有20%的損耗。對于太陽能逆變器、不間斷電源(UPS)以及高壓DC/DC轉(zhuǎn)換器、高性能工業(yè)馬達(dá)驅(qū)動器和通用開關(guān)電源(SMPS)等能源敏感型應(yīng)用，C2M系列等SiC功率MOSFET具有非常令人興奮的應(yīng)用前景。

結(jié)論

在為高達(dá)數(shù)百甚至數(shù)千伏的工作電壓設(shè)計(jì)電路時，需要了解與較低工作電壓下不同的材料屬性和電場行為。一方面，相對于較低電壓，高電壓/低電流配置可以允許更小橫截面的導(dǎo)體，但是對隔離距離則具有更高的要求，這會妨礙設(shè)計(jì)者實(shí)現(xiàn)最小化電路尺寸，并增加功率密度的目標(biāo)。像KEMET公司的ArcShield特殊技術(shù)可以使標(biāo)準(zhǔn)尺寸的元器件外形能夠滿足爬電和間隙距離等要求，而在考慮連接器等零部件時，高電壓對于外形、尺寸和使用環(huán)境下的保護(hù)等方面的要求通常比較明顯。在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域，SiC技術(shù)能夠在尺寸和性能之間取得更多有利的平衡。

在高工作電壓下，必須仔細(xì)考慮元器件的選擇和應(yīng)用，以確保實(shí)現(xiàn)功能的完整性、可靠性和安全性。