高壓電路設計，連接器電纜設計和有源器件考慮資料下載

作者：Bill Schweber 貿(mào)澤電子 連接器和電纜設計考慮 連接器和電纜怎樣呢？雖然通常認為它們不是和電容、電感和電感一樣的無源器件，但它們在高壓鏈中是關鍵的一環(huán)，作為基本的無源元件，它們有許多相同的參數(shù)。在高壓電路的布局和布線中，爬電和間隙是主要的因素。但是與連接器和導線之間的關系相比，布局和布線之間的關系有明顯的差別：電路和系統(tǒng)設計師一般不設計連接器；他們只需要購買連接器。是否是一個標準，現(xiàn)成部件或自己定制件，是由連接器制造商為不同的應用程序和連接器的額定電壓的情況決定并定義的。 幾乎所有高壓連接器都是針對具體的行業(yè)和需求，而不是解決通用的高壓應用。舉個例子，供應商可能使用一個給定的連接器其標簽為“額定2000 V直流醫(yī)學應用，符合IEC60601標準”，這樣，當系統(tǒng)設計師作出一個連接器選擇時，這可以提供是否適合使用的參考值。 例如，TE連接HVTT和HVTE電纜裝配高壓內(nèi)部連接電纜和連接器用于電氣鐵路車輛，額定的15/25kV用于汽車和教練的車頂弧線和連接設備取決于具體的型號。除了基本的DC操作等級，他們具有耐受50/90kV的AC以及耐受沖擊電壓125/175kV。當然，這些大型連接器，直徑為90 - 135毫米和爬電距離為650 - 650毫米。其端接端包括重型、靈活的熱縮管，以保持濕度并把連接器裸露的部分保護起來。 strong高壓有源器件也是必要的 高壓設計不僅僅需要在高電勢時有電流回路。設計還包括在高壓時的控制和開關電流。IGBT和MOSFET是最常見器件，盡管真空電子設備（VED）（通常被稱為真空管）仍然在這個領域發(fā)揮巨大作用，因為它們可以處理大量散熱問題，尤其是在射頻頻段上。 乍一看，選擇使用MOSFET還是IGBT是一個艱難的決定。一般來說IGBT是較高電壓較高電流但較低開關頻率的最好組合。但場效應管（MOSFET）是較低電壓、較低電流但更高開關頻率的最佳選擇。 不管選擇哪種分立器件，封裝形式由這三個因素決定：電壓，爬電和間隙問題，這里再次提到這個問題---電流，隨著線徑尺寸來減少IR（電流x電阻），而散熱包括降低從裸片到外殼的熱阻抗一次來最大程度降低內(nèi)部產(chǎn)生的熱量，或者由于場效應管的導通電阻抑或是IGBT上的二極管壓降產(chǎn)生的熱量。 例如，國際整流器（International Rectifier）的IRG7PK35UD1 IGBT的額定電壓是1400V，針對高功率，單端，并聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器用于高端的廚房感應加熱系統(tǒng)和微波爐（圖4） 圖4：國際整流器IRG7PK35UD1GBT針對家用電器應用進行了優(yōu)化，并且采用一個標準的通孔TO-247封裝來降低成本以及簡化安裝在PC板上。 除了1400V的額定電壓，IGBT還支持40A的持續(xù)的集電極電流，切換速度從8到30KHz，這對于IGBT是非常快的.由于電壓、電流和最大散熱167W，它采用工業(yè)級TO-247封裝。這三個封裝管腳的寬度是超過1mm多一點而最小的管腳是大約在5mm，相當于1400V/40A的等級（圖5） 圖5：TO-247三視圖顯示了它必須為額定的IGBT保持爬電和空隙處理要求 假設都可以用，在為應用選擇高壓的IGBT抑或MOSFET時現(xiàn)在還有另外一個考量因素：MOSFET是基于碳化硅而不是傳統(tǒng)的硅。在碳化硅器件中，寬間隙和其他細微物理原因使其擊穿電壓可以比傳統(tǒng)硅高10倍。其結(jié)果是可能制造更薄的和更小的碳化硅MOSFET，并且可用更小的損耗來換取承載更大的電流，盡管在碳化硅內(nèi)部有其他限制。此外，SiC比普通硅有更高的導熱性，有更高的功率密度。至關重要的是最大的操作溫度參數(shù)，SiC器件可以運行的節(jié)溫超過150°C，所有可減少系統(tǒng)級散熱器和封裝成本。 Cree提供的C2M系列1220V和1700V的SiC 場效應管，也是TO-247封裝，正可以說明這個轉(zhuǎn)變。 C2M0160120D是額定的1.2kV在17.7A，只有160mΩ RDS，并且有一個125W的功率損耗等級。他們的C2M0160120D也是一個1.2kV的設備，但是對于電流可以達到90A，只有25mΩ RDS，以及最大功耗只有463瓦。這個系列非常適合太陽能逆變器、高壓直流/直流轉(zhuǎn)換器、電機驅(qū)動器、開關型電源(smp)和不間斷電源(UPS)的設計。Cree聲稱他們的SiC場效應管的功率密度是基于普通硅的IGBT的三倍，并且只有20%的熱量損耗（這兩個都是非常重要的改進）（圖6） 圖6：基于碳化硅的場效應管提供了更好的高壓/高的電流效率，并且密度與基于硅的場效應管和IGBT大致相當；300A的SiC比600A的IGBT更有能力（顯示：250A RMS@500V；圖片源：Cree） 盡管高壓設計面臨很多挑戰(zhàn)，但是這些高壓設計是沒法逃避的，對于某些產(chǎn)品來說也是必需的，所以，至關重要的是工程師要了解數(shù)字相關的設計問題以及基本的高壓相關問題和安全監(jiān)控問題，要知道高壓電能做什么和為什么需要高壓電。 作者簡介 Bill Schweber是一名電子工程師撰寫過三本有關電子通信系統(tǒng)的書籍，并撰寫過數(shù)百篇技術論文和專欄文章，在他EETIME擔任過網(wǎng)站管理，在EDN擔任過執(zhí)行主編。他擁有學士和碩士學位，是一名注冊工程師。 (mbbeetchina)