來源：Digi-Key
作者：Bill Schweber
雖然許多工程師主要從事軌壓為個位數的低壓系統設計，但現在高壓世界中的設計工作也顯得愈發明顯和重要。當然，更高的電壓一直在使用，因為它們需要有效地給高功率應用供電。不過現在隨著各種類型的電動汽車 (EV)、可再生能源和相關的儲能系統（以及一般上的能效）受到如此多的關注，對工作在數百伏或更高電壓的電源軌和元器件的需求也在增加。
盡管許多高壓設計在原理圖上看起來與它們的低壓兄弟姐妹相似，但是與像工作在 600 至 800 伏電壓下、提供千瓦功率和儲存兆焦耳動力的電動汽車電源組相比，建立一個提供幾伏和幾瓦的可充電電池子系統是有天壤之別的。不僅是像 MOSFET 這樣的有源元件要有更高的額定電壓，而且相關的無源元件（電阻器、電容器、接觸器、連接器及其他）也必須有適合的額定值。
(資料圖片僅供參考)
簡言之：低壓電路的適度基本準則不再占主導地位。相反，高壓世界的環境條件是惡劣的，充滿了電弧、火花、絕緣擊穿、接觸摩擦和材料老化。在材料選擇、元件選擇和物理放置方面出錯，代價是昂貴的，而且往往是危險的，而重新設計和重新規劃，無論乍看起來多么微小，都是耗時的、令人沮喪的，而且要進行深入的設計重審。
高壓設計的影響
這在實踐中意味著什么？首先，有許多標準規定了高壓世界的絕緣、隔離和其他要求，而且隨著電壓進入數百甚至數千伏級別，這些標準變得越來越嚴格和具有挑戰性。這些標準有些是由與政府有聯系的監管組織頒布的，有些是由行業協會制定的，有些是由良好的工程實踐定義的。
最具體的要求之一是與最小間隙和爬電有關。當工作電壓超過交流 30 伏或直流 60 伏時，這些要求就會生效，因為超過這些電壓被認為是潛在的危險。間隙是指兩個導體之間最短的空氣距離，而爬電是指沿著絕緣材料表面的最短距離（圖 1）。
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圖 1：高壓布局首先要考慮間隙和爬電，即兩個導體之間最短的空氣距離以及沿著絕緣材料表面的最短距離。（圖片來源：Altium Limited）
印刷電路板布局對最小間隙和爬電距離的要求因材料、電壓和環境條件而異。IEC 60601 和 IPC 2221 標準是確定不同電壓和情況下導體之間間距的主要準則，但針對具體應用還有許多額外的準則。除了這些基本要求外，還有一些標準規定了絕緣類型和厚度等材料。這里也有一些細微的差別，如“UL 列名”和“UL 認可”分類之間的區別（見相關內容）。
元器件也有大不同
即使一個設計符合所有的物理監管標準，包括與設計的高壓分類相稱的爬電和間隙，要創建一個合適的物料清單 (BOM) 也有很多工作要做。一個能在數百伏電壓下正常工作的電阻，與一個用于溫和的 10 至 20 伏區域的電阻相比，是非常不同的。其設計、材料選擇、生產過程和整體包裝的每個方面都是獨一無二的。
例如，Vishay Dale TNPV 系列車規級 (AEC-Q200) 薄膜高壓電阻器，如330 千歐 (kΩ) TNPV1206330KBYEA 設計用于 1000 伏工作電壓。由于它們主要用于精確的高電壓測量，其復雜的材料、結構和激光修整產生了相當嚴格的規格。其中，低電壓系數低于每伏百萬分之一 (ppm/V)，公差低至 ±0.1%，電阻溫度系數 (TCR) 低至 ±10 ppm/?C（圖 2）。
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圖 2：TNPV 系列中的電阻器使用了專門的材料、設計和制造工藝組合，以實現所需的高壓操作能力和公差要求。（圖片來源：Vishay Dale）
Vishay 指出，精細修剪有助于減少沿電阻元件段的電壓梯度，從而提高高電壓下的穩定性。這種先進的設計和結構確保了在標準 3216（公制）封裝中看起來很普通的片式電阻器的應用穩定性和精確度。
電容器情形也類似。比例 FHC16I0307K，這是一個來自 Kyocera AVX 的 FHC 系列 的300 微法 (μF) 薄膜電容器，用于保護電動和混動汽車的功率半導體。它通過提供直流濾波，防止紋波電流回到電源，以及平滑直流母線電壓變化來實現這一目的。
FHC16I0307K 符合 AEC-Q200 和 IEC 61071-1/IEC 61071-2（用于電力電子電容器）標準，經過特殊處理，在高達 115°C 的工作溫度下具有極高的介電強度。它們封裝在一個 237 × 72 × 50 mm 的矩形樹脂填充金屬化塑料外殼中（圖 3）。雖然低壓 300μF 濾波電容非常常見，但這些電容的額定電壓是 450 伏直流電壓。它們采用干式繞線（非注油）、分段式、金屬化聚丙烯結構，具有可控的自愈過程。
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圖 3：FHC16I0307K 大容量電容器是為汽車使用而設計的。其額定電壓為 450 伏直流，采用金屬化聚丙烯結構，并封裝在一個金屬化塑料外殼內。（圖片來源：Kyocera AVX）
此外，分段式金屬化技術的一個獨特特征是電容器在其使用壽命結束時的作用。與表現出短路故障模式的電解電容器不同，這些薄膜電容器只會經歷電容的參數性損失，沒有災難性的故障模式。相反，該電容器在其壽命中逐漸和優雅地失去電容，最終成為一個開路結構。
結語
雖然從原理上看，高壓電路與低壓電路可能看起來相似，但因為涉及數百伏或者更高的電壓系統，設計師需要充分認識到，他們需要應付一系列挑戰，包括法規、布局、結構材料、元件選擇和最終物料清單。綜上所述，在選擇合適的有源和無源元件時，設計者需要密切關注規格書、廠家定義和元件參數。我可能還建議您就設計具體細節直接與廠家溝通，以確保無誤。
