雖然許多工程師主要從事軌壓為個(gè)位數(shù)的低壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)，但現(xiàn)在高壓世界中的設(shè)計(jì)工作也顯得愈發(fā)明顯和重要。當(dāng)然，更高的電壓一直在使用，因?yàn)樗鼈冃枰行У亟o高功率應(yīng)用供電。不過現(xiàn)在隨著各種類型的電動(dòng)汽車 (EV)、可再生能源和相關(guān)的儲(chǔ)能系統(tǒng)（以及一般上的能效）受到如此多的關(guān)注，對(duì)工作在數(shù)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(shè)計(jì)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(chǔ)存兆焦耳動(dòng)力的電動(dòng)汽車電源組相比，建立一個(gè)提供幾伏和幾瓦的可充電電池子系統(tǒng)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(guān)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。
    簡言之：低壓電路的適度基本準(zhǔn)則不再占主導(dǎo)地位。相反，高壓世界的環(huán)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(cuò)，代價(jià)是昂貴的，而且往往是危險(xiǎn)的，而重新設(shè)計(jì)和重新規(guī)劃，無論乍看起來多么微小，都是耗時(shí)的、令人沮喪的，而且要進(jìn)行深入的設(shè)計(jì)重審。
    高壓設(shè)計(jì)的影響
    這在實(shí)踐中意味著什么？首先，有許多標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了高壓世界的絕緣、隔離和其他要求，而且隨著電壓進(jìn)入數(shù)百甚至數(shù)千伏級(jí)別，這些標(biāo)準(zhǔn)變得越來越嚴(yán)格和具有挑戰(zhàn)性。這些標(biāo)準(zhǔn)有些是由與政府有聯(lián)系的監(jiān)管組織頒布的，有些是由行業(yè)協(xié)會(huì)制定的，有些是由良好的工程實(shí)踐定義的。

    體的要求之一是與間隙和爬電有關(guān)。當(dāng)工作電壓超過交流 30 伏或直流 60 伏時(shí)，這些要求就會(huì)生效，因?yàn)槌^這些電壓被認(rèn)為是潛在的危險(xiǎn)。間隙是指兩個(gè)導(dǎo)體之間短的空氣距離，而爬電是指沿著絕緣材料表面的短距離（圖 1）。

    圖 1：高壓布局首先要考慮間隙和爬電，即兩個(gè)導(dǎo)體之間短的空氣距離以及沿著絕緣材料表面的短距離。（圖片 Limited）
    印刷電路板布局對(duì)間隙和爬電距離的要求因材料、電壓和環(huán)境條件而異。IEC 60601 和 IPC 2221 標(biāo)準(zhǔn)是確定不同電壓和情況下導(dǎo)體之間間距的主要準(zhǔn)則，但針對(duì)具體應(yīng)用還有許多額外的準(zhǔn)則。除了這些基本要求外，還有一些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了絕緣類型和厚度等材料。這里也有一些細(xì)微的差別，如“UL 列名”和“UL 認(rèn)可”分類之間的區(qū)別（見相關(guān)內(nèi)容）。
    元器件也有大不同
    即使一個(gè)設(shè)計(jì)符合所有的物理監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)，包括與設(shè)計(jì)的高壓分類相稱的爬電和間隙，要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)合適的物料清單 (BOM) 也有很多工作要做。一個(gè)能在數(shù)百伏電壓下正常工作的電阻，與一個(gè)用于溫和的 10 至 20 伏區(qū)域的電阻相比，是非常不同的。其設(shè)計(jì)、材料選擇、生產(chǎn)過程和整體包裝的每個(gè)方面都是的。

    例如，Vishay Dale TNPV 系列車規(guī)級(jí) (AEC-Q200) 薄膜高壓電阻器，如330 千歐 (kΩ) TNPV1206330KBYEA 設(shè)計(jì)用于 1000 伏工作電壓。由于它們主要用于的高電壓測量，其復(fù)雜的材料、結(jié)構(gòu)和激光修整產(chǎn)生了相當(dāng)嚴(yán)格的規(guī)格。其中，低電壓系數(shù)低于每伏百萬分之一 (ppm/V)，公差低至 ±0.1%，電阻溫度系數(shù) (TCR) 低至 ±10 ppm/C（圖 2）。

    圖 2：TNPV 系列中的電阻器使用了專門的材料、設(shè)計(jì)和制造工藝組合，以實(shí)現(xiàn)所需的高壓操作能力和公差要求。（圖片 Dale）
    Vishay 指出，精細(xì)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(wěn)定性。這種先進(jìn)的設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)確保了在標(biāo)準(zhǔn) 3216（公制）封裝中看起來很普通的片式電阻器的應(yīng)用穩(wěn)定性和度。
    電容器情形也類似。比例 FHC16I0307K，這是一個(gè)來自 Kyocera AVX 的 FHC 系列 的300 微法 (μF) 薄膜電容器，用于保護(hù)電動(dòng)和混動(dòng)汽車的功率半導(dǎo)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(shí)現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)過特殊處理，在高達(dá) 115°C 的工作溫度下具有極高的介電強(qiáng)度。它們封裝在一個(gè) 237 × 72 × 50 mm 的矩形樹脂填充金屬化塑料外殼中。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(jié)構(gòu)，具有可控的自愈過程。
   FHC16I0307K 大容量電容器是為汽車使用而設(shè)計(jì)的。其額定電壓為 450 伏直流，采用金屬化聚丙烯結(jié)構(gòu)，并封裝在一個(gè)金屬化塑料外殼內(nèi)。（圖片 AVX）
    此外，分段式金屬化技術(shù)的一個(gè)獨(dú)特特征是電容器在其使用壽命結(jié)束時(shí)的作用。與表現(xiàn)出短路故障模式的電解電容器不同，這些薄膜電容器只會(huì)經(jīng)歷電容的參數(shù)性損失，沒有災(zāi)難性的故障模式。相反，該電容器在其壽命中逐漸和優(yōu)雅地失去電容，終成為一個(gè)開路結(jié)構(gòu)。
    結(jié)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?yàn)樯婕皵?shù)百伏或者更高的電壓系統(tǒng)，設(shè)計(jì)師需要充分認(rèn)識(shí)到，他們需要應(yīng)付一系列挑戰(zhàn)，包括法規(guī)、布局、結(jié)構(gòu)材料、元件選擇和終物料清單。綜上所述，在選擇合適的有源和無源元件時(shí)，設(shè)計(jì)者需要密切關(guān)注規(guī)格書、廠家定義和元件參數(shù)。我可能還建議您就設(shè)計(jì)具體細(xì)節(jié)直接與廠家溝通，以確保無誤。