使用高压电阻器进行设计的 10 个技巧

高压电阻器设计的10 个技巧 - 技术文章 (eepower.com)

优化的策略在设计周期的早期优先考虑关键组件的定义和测试。高压电阻器就是这样一种元件。以下是使用高压电阻器进行设计的10 个技巧。

优化的策略在设计周期的早期优先考虑关键组件的定义和测试。“高电压”是一个可以有多种含义的术语，但这里我们考虑的是电压为 1 至 100 kV 的电路。

该量表低端的一个例子是自动体外除颤器，其中电容器充电至高达5 kV，然后向患者提供可能挽救生命的精确校准电涌。坚持医疗保健主题，但在天平的另一端，我们有医疗 X 射线，它是通过以大约 70 kV 加速电子，然后用金属靶突然停止它们而产生的。仔细控制该电压的变化允许对系统进行调整，以捕获软组织或不同骨厚度的图像。这些只是高压应用的两个例子，在这些应用中，电阻器（通常是最简单的商用元件）的重要性被提升，以在要求苛刻的应用中提供关键保护和精确控制。本文根据多年来为需要高压电阻器的设计人员提供的支持，提出了十个技巧，不仅在医疗领域，而且在工业、运输和科学领域。

十大技巧

1. 了解额定电压

电阻器的初级额定电压是其限幅元件电压（LEV），有时称为工作电压。这是欧姆值大于或等于临界电阻的电阻器上可能施加的最大连续电压。低于此值时，最大电压受额定功率\（（P_{r}）\，to\，\sqrt[2\，\，\，]{}P_{r}\cdot R\）的限制。通常，它是 DC 或 AC rms，但高压器件的数据表可能将其定义为 DC 或 AC 峰值。与此相关的是过载额定电压，通常为 2 到 2.5 秒 LEV 的 2 或 5 倍。通常，可以在短时间内承受更高的峰值电压，如数据表的脉冲性能部分所示。最终额定值是隔离电压，它是电阻器和与其绝缘体接触的导体之间可能施加的最大连续电压。

2. 分立电阻的分压

图1.分压器。

分压需要高阻值电阻R1与低阻值电阻 R 串联2,如图 1 所示。

电压比由下式给出

需要注意的是，电压比与电阻比R不同1, 12但被抵消了 1。例如，要获得 1000 的电压比，需要定义 999 的电阻比。对于分立电阻器设计，最好选择标准值，表1给出了十进制电压比的一些示例。

选择标称值后，下一个考虑因素是所需的公差。电阻比的容差只是各个电阻容差的总和。这些不一定相同;通常，在低压部件上选择更严格的公差是最经济的。例如，高压 R1在 1% 和低电压 R2在 0.1% 时，电阻比容差为 1.1%。对于超过50：1的电压比，电压比的容差实际上与电阻比的容差相同。

3. 指定集成分压器

集成了R 的高压分压器1和 R2可集成一个三端子组件，如 TT Electronics 的 HVD 系列所示（图 2）。这种方法有许多精度优势。例如，可以精确定义目标电压比，而不受选择标准值的约束。

图2.集成分压器。

为集成分频器指定的值通常为低值R2和总值 R1+ R型2.此外，电压比的容差可以直接通过微调过程来控制，因此可以比电阻值的绝对容差严格得多。例如，R1和 R2可以用 2% 的绝对容差来定义，但电压比可以调整为 0.5% 的容差。类似的优势也适用于电阻温度系数 （TCR），跟踪 TCR 决定了电压比的温度稳定性，可能低于电阻元件的绝对 TCR。此外，可以设计将这种匹配元件扩展到寿命漂移和电压电阻系数 （VCR） 区域的分压器，尽管这通常需要定制设计。

4. 评估分频器中的 TCR 和 VCR 误差

提供R1值足够高，而电压足够低，分压器内会有低水平的自发热。如果是这种情况，则分别测量 TCR 和 VCR 效果相对容易。使用环境试验箱计算TCR效应，所得品质因数定义为电压比温度系数\（=\frac{1E+6\cdot\frac{VRht-VRlt}{VRlt}}{HT-LT}\），单位为ppm/°C，其中VRht和VRlt是高温和低温下的电压比，HT和LT是高温和低温。

VCR 效应的相应品质因数同样定义为电压比电压系数 \（=\frac{1E+6\cdot\frac{VRhv-VRlv}{VRlv}}{HV-LV}\），单位为 ppm/°V，其中 VRhv 和 VRlv 是高低压下的电压比，HV 和 LV 是高低电压。

如果自发热不可忽略，则在TCR测试中，应调整腔室温度以给出正确的HT值，并应分配时间使温度稳定。VCR测试应持续时间短，以尽量减少温升。或者，可以使用环境试验箱来测量较高温度下的低电压，反之亦然，从而抵消与温度相关的电阻变化。

5. 计算泄放电阻的值

EAK泄放电阻器用于在断电后将电容器放电至安全电压水平。泄放电阻器可以在电容器两端切换，以实现快速放电而不会产生静态耗散，也可以永久连接以实现高可靠性和低成本。在后一种情况下，在达到安全放电的时间和静态功率损耗之间需要权衡。通过指数放电计算选择最大合适的欧姆值：

其中Td为放电时间，C为假设最大正容差的电容值，Vt是安全阈值电压，Vo是初始电压。允许公差的最高标准值低于 R麦克斯应该使用。

对于选定值R，初始功率由 P 给出o= Vo 2/R .对于开关放气器，这是峰值功率。对于永久连接的泄放器，它是连续耗散，所选择的电阻器必须相应地额定。

6. 选择合适的平衡电阻

所有铝电解电容器在连接直流电压时都会产生漏电流。这可以通过与电容器并联的泄漏电阻来建模。该电阻是非线性的，也就是说，它的值是施加电压的函数。在这种情况下，该值定义不明确，从一个电容器到另一个电容器有很大的变化。在为高压直流母线构建电容储液器时，可能需要使用两个电容器的串联组合，每个电容器的额定电压是总线电压的一半。如果电容器相同，则母线电压将在它们之间平均分配。然而，在实践中，漏电阻会有所不同，导致漏电阻较高的电容器上分配不均和可能的电压过载。

图3.EAK设计用于直接安装在电容器上。

解决方案是将平衡电阻（如图3所示）与每个电容器并联。这些是额定电压合适的高阻值电阻器，其值匹配在百分之几以内。该值需要尽可能高，以尽量减少功率耗散，但通常选择该值时不超过电容器额定电压下漏电阻最低值的10%。通过这种方式，不平衡内部电容器漏电阻的影响被平衡电阻的影响所淹没，并且电压近似相等。

7. 承受高压浪涌

有时，设计人员在研究高压电阻器时会这样做，因为他们的电路必须能够承受高压瞬变。如果连续电压应力不需要高压额定值，那么低电压但耐浪涌的部件很可能是最佳解决方案。例如，EAK的 5W 绕线高浪涌电阻 WH5S 没有高压额定值，但可以承受高达 10kV 峰值的 1.2/50μs，而浪涌容忍 2512 片式电阻器 HDSC2512 的 LEV 为 500V，但可以承受高达 7kV 的峰值电压。

8. 符合安全标准的设计

在设计设备以满足IEC 60664 等电气安全标准的要求时，有必要在早期阶段考虑相关的爬电距离和电气间隙要求。这些不仅会影响PCB布局设计，在某些情况下还会影响元件选择。当电阻连接到高压电平时，重要的是要检查其端接之间的距离，如果是散热器安装部件，则检查电阻器与金属热接口之间的距离。这有两种定义方式。首先，爬电距离是穿过绝缘表面的最短距离。这降低了潮湿和污染条件的可能性，使表面闪烁的能量足够高，可以进行跟踪。其次，间隙是空中最短的距离。这解决了闪络的风险。如果从数据表中看不出这两个尺寸，则应从制造商处获得。

可能需要的另一条信息是形成绝缘表面的材料，因为这决定了比较漏电起痕指数（CTI），该指数对有机材料支持导致跟踪的过程的倾向进行分类。例如，如果电阻器在设计中桥接隔离栅，以提供电流连接以防止过多的静电荷积聚，则 IEC 60065 安全标准要求电阻器能够承受指定的高压浪涌测试。由于这正在成为传统标准，电阻器的持续认证不再重要。尽管如此，遵循 IEC 62368-1 基于危险的安全工程方法的设计人员仍将了解仍有符合 IEC 60065 要求的产品。

9. 灌封和充油组件的设计

高压设计中的两个限制因素可能是受污染的有机表面倾向于支持跟踪和空气中放电的风险，尤其是在小半径表面周围。这两个限制都可以通过灌封或浸泡在矿物油中来解决，这样可以防止污染物进入，并用介电强度更高的物质代替空气。这反过来又减少了爬电距离和间隙限制，从而减小了装配体的尺寸。在为这种组件选择电阻器时，必须选择以避免释气风险的方式绝缘的部件。任何与组件结合的空气都可能形成空隙，其中可能发生局部放电，导致绝缘材料的长期降解。这排除了使用带有绝缘套管或粗糙或多孔涂层饰面的零件。环氧涂料，无论是印刷的还是粉末浸渍的，通常是理想的，制造商可以就适用性提出建议。

结论

在许多情况下，电阻器可以被视为电路中最简单的元件，除了选择合适的欧姆值和额定功率外，设计人员不需要特别注意。然而，高压电路通常需要制造商提供能够提供经验和专业知识的专业组件。建议设计人员在项目的早期阶段将这些作为定义和测试的关键组件进行优先级排序，并检查自定义或半自定义方法是否可以增加显着价值。