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高压电路设计，连接器电缆设计和有源器件考虑资料下载
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2021-04-17
李娟
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作者：Bill Schweber 贸泽电子
连接器和电缆设计考虑
连接器和电缆怎样呢？虽然通常认为它们不是和电容、电感和电感一样的无源器件，但它们在高压链中是关键的一环，作为基本的无源元件，它们有许多相同的参数。在高压电路的布局和布线中，爬电和间隙是主要的因素。但是与连接器和导线之间的关系相比，布局和布线之间的关系有明显的差别：电路和系统设计师一般不设计连接器；他们只需要购买连接器。是否是一个标准，现成部件或自己定制件，是由连接器制造商为不同的应用程序和连接器的额定电压的情况决定并定义的。
几乎所有高压连接器都是针对具体的行业和需求，而不是解决通用的高压应用。举个例子，供应商可能使用一个给定的连接器其标签为“额定2000 V直流医学应用，符合IEC60601标准”，这样，当系统设计师作出一个连接器选择时，这可以提供是否适合使用的参考值。
例如，TE连接HVTT和HVTE电缆装配高压内部连接电缆和连接器用于电气铁路车辆，额定的15/25kV用于汽车和教练的车顶弧线和连接设备取决于具体的型号。除了基本的DC操作等级，他们具有耐受50/90kV的AC以及耐受冲击电压125/175kV。当然，这些大型连接器，直径为90 - 135毫米和爬电距离为650 - 650毫米。其端接端包括重型、灵活的热缩管，以保持湿度并把连接器裸露的部分保护起来。
strong高压有源器件也是必要的
高压设计不仅仅需要在高电势时有电流回路。设计还包括在高压时的控制和开关电流。IGBT和MOSFET是最常见器件，尽管真空电子设备（VED）（通常被称为真空管）仍然在这个领域发挥巨大作用，因为它们可以处理大量散热问题，尤其是在射频频段上。
乍一看，选择使用MOSFET还是IGBT是一个艰难的决定。一般来说IGBT是较高电压较高电流但较低开关频率的最好组合。但场效应管（MOSFET）是较低电压、较低电流但更高开关频率的最佳选择。
不管选择哪种分立器件，封装形式由这三个因素决定：电压，爬电和间隙问题，这里再次提到这个问题---电流，随着线径尺寸来减少IR（电流x电阻），而散热包括降低从裸片到外壳的热阻抗一次来最大程度降低内部产生的热量，或者由于场效应管的导通电阻抑或是IGBT上的二极管压降产生的热量。
例如，国际整流器（International Rectifier）的IRG7PK35UD1 IGBT的额定电压是1400V，针对高功率，单端，并联谐振转换器用于高端的厨房感应加热系统和微波炉（图4）
图4：国际整流器IRG7PK35UD1GBT针对家用电器应用进行了优化，并且采用一个标准的通孔TO-247封装来降低成本以及简化安装在PC板上。
除了1400V的额定电压，IGBT还支持40A的持续的集电极电流，切换速度从8到30KHz，这对于IGBT是非常快的.由于电压、电流和最大散热167W，它采用工业级TO-247封装。这三个封装管脚的宽度是超过1mm多一点而最小的管脚是大约在5mm，相当于1400V/40A的等级（图5）
图5：TO-247三视图显示了它必须为额定的IGBT保持爬电和空隙处理要求
假设都可以用，在为应用选择高压的IGBT抑或MOSFET时现在还有另外一个考量因素：MOSFET是基于碳化硅而不是传统的硅。在碳化硅器件中，宽间隙和其他细微物理原因使其击穿电压可以比传统硅高10倍。其结果是可能制造更薄的和更小的碳化硅MOSFET，并且可用更小的损耗来换取承载更大的电流，尽管在碳化硅内部有其他限制。此外，SiC比普通硅有更高的导热性，有更高的功率密度。至关重要的是最大的操作温度参数，SiC器件可以运行的节温超过150°C，所有可减少系统级散热器和封装成本。
Cree提供的C2M系列1220V和1700V的SiC 场效应管，也是TO-247封装，正可以说明这个转变。 C2M0160120D是额定的1.2kV在17.7A，只有160mΩ RDS，并且有一个125W的功率损耗等级。他们的C2M0160120D也是一个1.2kV的设备，但是对于电流可以达到90A，只有25mΩ RDS，以及最大功耗只有463瓦。这个系列非常适合太阳能逆变器、高压直流/直流转换器、电机驱动器、开关型电源(smp)和不间断电源(UPS)的设计。Cree声称他们的SiC场效应管的功率密度是基于普通硅的IGBT的三倍，并且只有20%的热量损耗（这两个都是非常重要的改进）（图6）
图6：基于碳化硅的场效应管提供了更好的高压/高的电流效率，并且密度与基于硅的场效应管和IGBT大致相当；300A的SiC比600A的IGBT更有能力（显示：250A RMS@500V；图片源：Cree）
尽管高压设计面临很多挑战，但是这些高压设计是没法逃避的，对于某些产品来说也是必需的，所以，至关重要的是工程师要了解数字相关的设计问题以及基本的高压相关问题和安全监控问题，要知道高压电能做什么和为什么需要高压电。
作者简介
Bill Schweber是一名电子工程师撰写过三本有关电子通信系统的书籍，并撰写过数百篇技术论文和专栏文章，在他EETIME担任过网站管理，在EDN担任过执行主编。他拥有学士和硕士学位，是一名注册工程师。
(mbbeetchina)
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