【技术】高压电阻器设计的10条建议

在设计周期的早期，优化的策略优先考虑这些关键组件的定义和测试

“高压”是一个有多种含义的术语，但本文中我们考虑的是电压在1到100kV之间的电路。在这个电压量级内，电压较低的一个示例是自动体外除颤器，在向患者提供可能挽救生命的精确校准的电涌之前，将电容器充电至5kV。继续讨论医疗保健主题，在1到100kV电压量级内电压较高的应用方面，TT Electronics有医用X射线，它是通过以大约70kV的电压加速电子，然后用金属靶突然使电子停止而产生的。

仔细控制此电压的变化可以使系统被调整以捕获软组织或不同骨骼厚度的图像。这只是高压应用的两个例子，在高压应用中，电阻通常是最简单的商品组件，在苛刻的应用中提供关键的保护和精确的控制。本文中TT Electronics根据多年来对需要高压电阻器的设计师的支持，提出了十条建议，不仅在医疗领域，而且在工业、交通和科学领域。

十条建议

1.了解额定电压

电阻器的初级额定电压是其元件极限电压（LEV），有时也称为工作电压。这是可以施加在欧姆值大于或等于临界电阻的电阻器两端的最大连续电压。在该值以下，最大电压受额定功率（Pr）限制为2√Pr.R。通常，它是直流或交流rms，但高压部件的数据表可能将其定义为直流或交流峰值。与此相关的是额定过载电压，其通常是LEV的2倍或2.5倍，持续2至5秒。通常，如数据表的脉冲性能部分所示，可以在短时间内承受高得多的峰值电压。最终额定值是隔离电压，这是可以施加在电阻器和与其绝缘体接触的导体之间的最大连续电压。

2 .采用分立电阻分压

分压需要高阻值电阻器R1与低阻值电阻器R2串联，如图1所示。电压比由下式给出

应当注意，电压比与电阻比R1/R2不同，而是相差1。例如，为了获得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中给出了从10到10000每增加10倍电压比的一些示例：

使用标准电阻值的十进制电压比

选择标称值后，下一步要考虑的是所需的公差。电阻比中的公差只是单个电阻公差的总和。这些并不一定相同；通常在低电压部分上选择更严格的公差是最具性价比的。例如，1%的高电压R1和0.1%的低电压R2导致1.1%的电阻比公差。对于超过50:1的电压比，电压比的公差实际上与电阻比的公差相同。

3 .指定集成分压器

可提供将R1和R2集成到一个三端子组件中的高压分压器，如TT Electronics的HVD系列所示（图2）。这种方法具有许多精度优势。例如，可以精确地定义目标电压比，而不受选择标准值的约束。

为集成分压器指定的值通常是低值R2和总值R1+R2。此外，电压比的公差可以通过修边工艺直接控制，因此可以比电阻器值的绝对公差严格得多。例如，R1和R2可以定义为2%的绝对公差，但电压比可以调整为0.5%的公差。电阻温度系数（TCR）也有类似的优点，其中确定电压比温度稳定性的跟踪TCR可能低于电阻元件的绝对TCR。此外，可以设计将这种匹配元素扩展到寿命漂移和电阻电压系数（VCR）区域的分压器，尽管这通常需要定制设计。

4 .分压器中TCR和VCR误差的评估

如果R1值足够高，并且电压足够低，则在分压器中自加热水平就会很低。如果是这种情况，那么分别测量TCR和VCR效应就相对容易了。TCR效应是使用温度室计算的，所得的品质因数定义为电压比的温度系数=，单位ppm/℃，其中VRht和VRlt是高温和低温下的电压比，HT和LT是高温和低温度。

VCR效应的相应品质因数类似地定义为电压比的电压系数=以ppm/°V为单位，其中VRhv和VRlv是高电压和低电压下的电压比，HV和LV是高电压或低电压。

如果自热不可忽略，则在TCR测试中，应调整试验箱温度以给出正确的HT值，并应为温度稳定分配时间。VCR测试应持续时间短，以最大限度地降低温度上升。或者，可以使用温度室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.计算泄放电阻器的值

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无静态功率耗散，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，需要在达到安全放电的时间和静态功率损耗之间进行权衡。通过指数放电计算来选择合适的最大欧姆值：其中Td是放电时间，C是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。考虑到公差，应使用低于Rmax的最高标准值。

对于选定的R值，初始功率被给定为Po＝Vo²/R。对于开关式泄放电阻器，这是峰值功率。对于永久连接的泄放电阻器，它是连续功率耗散，并且所选择的电阻器必须满足相应的额定值。

6.选择正确的平衡电阻器

所有铝电解电容器在两端连接直流电压时都会出现漏电流。这可以通过与电容器并联的泄漏电阻来建模。这个电阻是非线性的，也就是说，它的值是所施加电压的函数。在这种情况下，该值的定义不明确，从一个电容器到另一个电容器变化很大。在为高压直流总线构建电容储能器时，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为总线电压的一半。如果电容器相同，则总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不均压和可能的电压过载。

解决方案是使用平衡电阻器，如图3所示，与每个电容器并联。这些是额定电压适当的高值电阻器，其值匹配在百分之几以内。该值需要尽可能高，以最大限度地减少功耗，但通常选择该值时，其不超过电容器额定电压下泄漏电阻最低值的10%。通过这种方式，不平衡的内部电容器泄漏电阻的影响被平衡电阻器的影响淹没，并且使电压近似均衡。

7.耐受高压浪涌

有时，考虑高压电阻器的设计师这样做是因为他们的电路必须承受高压瞬态。如果连续电压耐受不要求高额定电压值，那么低电压但耐浪涌的器件很可能是最佳解决方案。例如，TT Electronics的5W线绕高浪涌电阻器WH5S没有高额定电压值，但可以承受10kV的1.2/50μs峰值电压，而耐浪涌2512片式电阻器HDSC2512的LEV为500V，但可以耐受高达7kV的峰值电压。

8.设计符合安全标准

在设计满足IEC 60664等电气安全标准要求的设备时，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器件选型。当电阻器连接到高压电平时，检查其终端之间的距离非常重要，如果是散热器安装的部件，则必须检查电阻器与金属热界面之间的距离。这有两种定义。首先，爬电距离是跨越绝缘表面的最短距离。这降低了潮湿和污染条件的可能性，使得能够以足够高的能量发生表面闪烁以产生漏电起痕。其次，电气间隙是指在空气中最短的距离。这就解决了闪络的风险。这两个尺寸，如果从数据表中看不出来，应该可以从制造商处获得。可能需要的另一条信息是形成绝缘表面的材料，因为这决定了相对漏电起痕指数（CTI），该指数对有机材料支持导致漏电起痕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，为了提供电气连接以防止过度的静电荷积聚，IEC 60065安全标准要求电阻器能够承受指定的高压浪涌测试。随着这成为传统标准，电阻器的持续认证不再相关。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将知道仍有产品符合IEC 60065的要求。

图4：TT Electronics的T44TUH适用于油浸，其LEV翻了一番，达到28kV

9.优化PCB布局

PCB布局对于保持高压设计的安全性至关重要，这在高压电阻器小型化和表面贴装器件（SMD）形式的情况下最为明显。TT Electronics的HVC系列就是一个很好的例子，其中包括一个额定电压为3kV的2512尺寸片式电阻器。应避免在器件下方或非常靠近器件布线或过孔，以及在制造或使用过程中可能捕获或助长离子污染的任何PCB布局特征。一种可用于增加爬电距离和避免残留污染的特殊措施是在部件下方的PCB上切割一个槽。

10.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导致漏电起痕的趋势和在空气中放电的风险，特别是在小半径表面周围。这两者限制可以通过灌封或浸入矿物油来解决，这可以防止污染物的进入，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电气间隙限制，从而减小了组件的尺寸。在为此类组件选择电阻器时，必须选择绝缘的部件，以避免排气的风险。任何与部件结合的空气都可能形成空隙，在空隙中可能发生局部放电，从而导致绝缘材料的长期降解。这排除了使用带有绝缘套管或带有粗糙或多孔涂层的零件。环氧树脂涂层，无论是印刷的还是粉末浸渍的，通常都是理想的，制造商可以就其适用性提出建议。

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，除了选择适当的欧姆值和额定功率外，设计人员不需要特别注意。然而，高压电路通常需要能够提供经验和专业知识的制造商提供专业元件。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元件进行优先排序，并检查定制或半定制方法是否可以增加重要的价值。