高压电阻器设计的 10 个技巧

1.了解额定电压

电阻器的初级额定电压是其限制元件电压（LEV），有时称为工作电压。这是可以施加在其欧姆值的电阻器上的连续电压大于或等于临界电阻。低于该值时，电压受额定功率

(Pr)to2√Pr?R限制。通常，它是直流或交流有效值，但高压部件的数据表可能将其定义为直流或交流峰值。与此相关的是过载电压额定值，通常为 LEV 的 2 或 2.5 倍，持续 2 至 5 秒。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。终额定值是隔离电压，它是可以施加在电阻器和与其绝缘体接触的导体之间的连续电压。

2. 分立电阻分压

 
图 1.分压器。图片由博多电力系统提供

分压需要一个高阻值电阻器 R 1与一个低阻值电阻器 R 2 串联，如图 1 所示。

电压比由下式给出V输入V输出=(R1+R2)/R2=R1/R2+1　

需要注意的是，电压比与电阻比R 1 /R 2不同，而是偏移了1。例如，要获得 1000 的电压比，需要定义 999 的电阻比。对于分立电阻设计，选择标准值，表 1 中列出了十倍电压比的一些示例。

表 1. 使用标准电阻值的十倍电压比

目标电压比R 1 / R 2R 1 (E12)R 2（E24 或 E96）实际电压比标称误差10982K9K110.01+0.1%

1009947万4K7599.95-0.05%
10009991M01K01001+0.1%
10009996M86K81999.5-0.05%
10,000999910M1K010,001+0.01%

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容差是经济的。例如，1%的高电压R 1和0.1%的低电压R 2导致电阻比公差为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

可以使用将 R 1和 R 2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）。这种方法有许多精度优势。例如，可以地定义目标电压比，而不受选择标准值的限制。

为集成分频器指定的值通常是低值R 2和总值R 1 + R 2。此外，电压比的容差可以通过微调过程直接控制，因此可以比电阻值的容差更严格。例如，R 1和R 2可以定义2%的容差，但电压比可以调整到0.5%的容差。类似的优点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，可能低于电阻器元件的 TCR。此外，可以设计分压器，将这种匹配元素扩展到寿命漂移和电阻电压系数 (VCR) 领域，尽管这通常需要定制设计。

4. 评估分频器中的 TCR 和 VCR 误差

如果R 1值足够高并且电压足够低，则分压器中的自热程度将会较低。如果是这种情况，则分别测量 TCR 和 VCR 效果相对容易。使用温度室计算 TCR 效应，所得品质因数定义为电压比温度系数=  


以 ppm/°C 为单位，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类似地定义为电压比的电压系数=

，单位为 ppm/° V 其中 VRhv 和 VRlv 是高电压和低电压的电压比，HV 和 LV 是高电压和低电压。

如果自热不可忽略，则在 TCR 测试中，应调整腔室温度以给出正确的 HT 值，并分配时间让温度稳定。VCR 测试的持续时间应较短，以尽量减少温升。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。泄放电阻器可以跨接在电容器上以实现快速放电而无需静态耗散，也可以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欧姆值：

其中T d是放电时间，C 是假设正容差的电容值，V t是安全阈值电压，V o是初始电压。考虑到公差，应使用低于 R max 的标准值。

对于选定值R，初始功率由P o = V o 2 /R给出。对于开关泄放器来说，这是峰值功率。对于连接的泄放器，它是连续耗散，并且所选择的电阻器必须具有相应的额定值。

6. 选择合适的平衡电阻

当直流电压连接到所有铝电解电容器时，它们都会出现漏电流。这可以通过与电容器并联的漏电阻来建模。该电阻是非线性的，也就是说，其值是所施加电压的函数。在这种情况下，该值的定义很差，一个电容器与另一个电容器之间存在很大程度的变化。当为高压直流母线构建电容蓄能器时，可能需要使用两个电容器的串联组合，每个电容器的额定值为母线电压的一半。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共享不均匀，并可能出现电压过载。

图 3.  TT Electronics 的 WPYP 系列设计用于直接安装在电容器上。图片由博多电力系统提供

解决方案是使用与每个电容器并联的平衡电阻器（如图 3 所示）。这些是高值电阻器，额定电压适当，并且值匹配在几个百分点之内。该值需要尽可能高，以限度地减少功耗，但通常选择该值，使其不超过电容器额定电压下漏电阻值的 10%。通过这种方式，不平衡的内部电容器漏电阻的影响被平衡电阻的影响所淹没，并且电压近似均衡。

7、耐高压浪涌

有时，设计人员考虑高压电阻器时会这样做，因为他们的电路必须承受高压瞬变。如果连续电压应力不需要高额定电压，那么低电压但耐浪涌的部件很可能是的解决方案。例如，TT Electronics 的 5W 绕线高浪涌电阻器 WH5S 不具有高额定电压，但可以承受 1.2/50μs 高达 10kV 峰值，而耐浪涌 2512 片式电阻器 HDSC2512 的 LEV 为500V，但可承受高达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件选择。当电阻器连接到高电压电平时，重要的是检查其端子之间的距离，以及在散热器安装部件的情况下检查电阻器和金属热界面之间的距离。这有两种方式定义。首先，爬电距离是穿过绝缘表面的短距离。这降低了潮湿和污染条件下的可能性，使表面闪烁的能量足够高以进行跟踪。其次，间隙是空中的短距离。这解决了闪络的风险。

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的过程的倾向进行分类。例如，如果电阻器桥接设计中的隔离栅，以提供电流连接以防止过多的静电电荷积聚，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，因此正在进行的电阻器不再相关。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有助于了解仍然有满足 IEC 60065 要求的产品。

图 4.  TT Electronics 的 T44TUH 适用于油浸，可将其 LEV 加倍至 28kV。图片由博多电力系统提供  [PDF]

9. 优化PCB布局

PCB 布局对于维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) 形式的情况下为明显。TT Electronics 的 HVC 系列就是一个很好的例子，其中包括额定电压为 3kV 的 2512 尺寸片式电阻器。应避免在元件下方或非常靠近元件的走线或通孔，以及在制造或使用过程中可能捕获或促进离子污染的任何特征。一种可用于增加爬电距离并避免滞留污染的特殊措施是在元件下方的 PCB 上切一个槽。

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支持跟踪的趋势以及空气中放电的风险，特别是在小半径表面周围。这两个限制都可以通过灌封或浸入矿物油中来解决，这样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，必须选择能够避免排气风险的绝缘部件。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退化。这就排除了使用带有绝缘套管或带有粗糙或多孔涂层饰面的部件。环氧涂层（印刷或粉末浸涂）通常是理想的选择，制造商可以就适用性提供建议。