高壓電路設(shè)計(jì)，連接器電纜設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)考慮 連接器和電纜怎樣呢？雖然通常認(rèn)為它們不是和電容、電感和電感一樣的無(wú)源器件，但它們?cè)?a href='http://www.ttokpm.com/v/tag/873/' target='_blank' class='arckwlink_none'>高壓鏈中是關(guān)鍵的一環(huán)，作為基本的無(wú)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(xiàn)中，爬電和間隙是主要的因素。但是與連接器和導(dǎo)線(xiàn)之間的關(guān)系相比，布局和布線(xiàn)之間的關(guān)系有明顯的差別：電路和系統(tǒng)設(shè)計(jì)師一般不設(shè)計(jì)連接器；他們只需要購(gòu)買(mǎi)連接器。是否是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)成部件或自己定制件，是由連接器制造商為不同的應(yīng)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(duì)具體的行業(yè)和需求，而不是解決通用的高壓應(yīng)用。舉個(gè)例子，供應(yīng)商可能使用一個(gè)給定的連接器其標(biāo)簽為“額定2000 V直流醫(yī)學(xué)應(yīng)用，符合IEC60601標(biāo)準(zhǔn)”，這樣，當(dāng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師作出一個(gè)連接器選擇時(shí)，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(chē)輛，額定的15/25kV用于汽車(chē)和教練的車(chē)頂弧線(xiàn)和連接設(shè)備取決于具體的型號(hào)。除了基本的DC操作等級(jí)，他們具有耐受50/90kV的AC以及耐受沖擊電壓125/175kV。當(dāng)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(hù)起來(lái)。 strong高壓有源器件也是必要的 高壓設(shè)計(jì)不僅僅需要在高電勢(shì)時(shí)有電流回路。設(shè)計(jì)還包括在高壓時(shí)的控制和開(kāi)關(guān)電流。IGBT和MOSFET是最常見(jiàn)器件，盡管真空電子設(shè)備（VED）（通常被稱(chēng)為真空管）仍然在這個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮巨大作用，因?yàn)樗鼈兛梢蕴幚泶罅可釂?wèn)題，尤其是在射頻頻段上。 乍一看，選擇使用MOSFET還是IGBT是一個(gè)艱難的決定。一般來(lái)說(shuō)IGBT是較高電壓較高電流但較低開(kāi)關(guān)頻率的最好組合。但場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）是較低電壓、較低電流但更高開(kāi)關(guān)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(gè)因素決定：電壓，爬電和間隙問(wèn)題，這里再次提到這個(gè)問(wèn)題---電流，隨著線(xiàn)徑尺寸來(lái)減少I(mǎi)R（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(lái)最大程度降低內(nèi)部產(chǎn)生的熱量，或者由于場(chǎng)效應(yīng)管的導(dǎo)通電阻抑或是IGBT上的二極管壓降產(chǎn)生的熱量。 例如，國(guó)際整流器（International Rectifier）的IRG7PK35UD1 IGBT的額定電壓是1400V，針對(duì)高功率，單端，并聯(lián)諧振轉(zhuǎn)換器用于高端的廚房感應(yīng)加熱系統(tǒng)和微波爐（圖4） 圖4：國(guó)際整流器IRG7PK35UD1GBT針對(duì)家用電器應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，并且采用一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的通孔TO-247封裝來(lái)降低成本以及簡(jiǎn)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(duì)于IGBT是非?？斓?由于電壓、電流和最大散熱167W，它采用工業(yè)級(jí)TO-247封裝。這三個(gè)封裝管腳的寬度是超過(guò)1mm多一點(diǎn)而最小的管腳是大約在5mm，相當(dāng)于1400V/40A的等級(jí)（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(shè)都可以用，在為應(yīng)用選擇高壓的IGBT抑或MOSFET時(shí)現(xiàn)在還有另外一個(gè)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(xì)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(lái)?yè)Q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(dǎo)熱性，有更高的功率密度。至關(guān)重要的是最大的操作溫度參數(shù)，SiC器件可以運(yùn)行的節(jié)溫超過(guò)150°C，所有可減少系統(tǒng)級(jí)散熱器和封裝成本。 Cree提供的C2M系列1220V和1700V的SiC 場(chǎng)效應(yīng)管，也是TO-247封裝，正可以說(shuō)明這個(gè)轉(zhuǎn)變。 C2M0160120D是額定的1.2kV在17.7A，只有160mΩ RDS，并且有一個(gè)125W的功率損耗等級(jí)。他們的C2M0160120D也是一個(gè)1.2kV的設(shè)備，但是對(duì)于電流可以達(dá)到90A，只有25mΩ RDS，以及最大功耗只有463瓦。這個(gè)系列非常適合太陽(yáng)能逆變器、高壓直流/直流轉(zhuǎn)換器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、開(kāi)關(guān)型電源(smp)和不間斷電源(UPS)的設(shè)計(jì)。Cree聲稱(chēng)他們的SiC場(chǎng)效應(yīng)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(gè)都是非常重要的改進(jìn)）（圖6） 圖6：基于碳化硅的場(chǎng)效應(yīng)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(chǎng)效應(yīng)管和IGBT大致相當(dāng)；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(shè)計(jì)面臨很多挑戰(zhàn)，但是這些高壓設(shè)計(jì)是沒(méi)法逃避的，對(duì)于某些產(chǎn)品來(lái)說(shuō)也是必需的，所以，至關(guān)重要的是工程師要了解數(shù)字相關(guān)的設(shè)計(jì)問(wèn)題以及基本的高壓相關(guān)問(wèn)題和安全監(jiān)控問(wèn)題，要知道高壓電能做什么和為什么需要高壓電。 作者簡(jiǎn)介 Bill Schweber是一名電子工程師撰寫(xiě)過(guò)三本有關(guān)電子通信系統(tǒng)的書(shū)籍，并撰寫(xiě)過(guò)數(shù)百篇技術(shù)論文和專(zhuān)欄文章，在他EETIME擔(dān)任過(guò)網(wǎng)站管理，在EDN擔(dān)任過(guò)執(zhí)行主編。他擁有學(xué)士和碩士學(xué)位，是一名注冊(cè)工程師。 (mbbeetchina)