使用高压电阻进行设计的 10 个技巧

自动体外除颤器就是一个较低端的例子，其中的电容器被充电到高达 5 kV，然后向患者提供可能挽救生命的、经过校准的电涌。继续医疗保健主题，但在另一个极端，我们有医用 X 射线，它通过用大约 70 kV 加速电子，然后用金属靶突然停止它们而产生。精心控制此电压的变化允许调整系统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，在这些应用中，电阻器（通常是简单的商品组件）的重要性得到了提升，以在要求苛刻的应用中提供关键保护和控制。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条技巧，不仅在医疗领域，而且在工业、交通运输和科学领域。

十条建议

1. 了解电压额定值

电阻器的主要电压额定值是其限制元件电压 (LEV)，有时称为工作电压。这是可施加在电阻器上的连续电压，其欧姆值大于或等于临界电阻。低于此值时，电压受功率额定值

(Pr)to2√Pr?R

的限制。通常，它是直流或交流均方根，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，通常是 2 到 5 秒内 LEV 的 2 或 2.5 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。终额定值为隔离电压，即可在电阻器和与其绝缘体接触的导体之间施加的连续电压。

2. 使用分立电阻进行分压

图 1.分压器。图片由 Bodo’s Power Systems 提供

分压需要一个高值电阻器 R 1与低值电阻器 R 2 串联，如图 1 所示。

电压比由下式给出：

（R1+R2）/R2=R1/R2+1

需要注意的是，电压比与电阻比 R 1 / R 2并不相同，而是相差 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 中列出了一些十进制电压比的示例。

选择标称值后，接下来要考虑的是所需的公差。电阻比的公差只是各个电阻公差的总和。这些不一定相同；通常，在低压部分选择更严格的公差是经济的。例如，高压 R 1为 1%，低压 R 2为 0.1%，则电阻比公差为 1.1%。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

集成 R 的高压分压器1和 R2集成到一个三端子元件中，以 TT Electronics 的 HVD 系列为例。这种方法有许多精度优势。例如，可以定义目标电压比，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 R2和总值 R1+ R2.此外，电压比的公差可以通过微调过程直接控制，因此可以使其比电阻器值的公差严格得多。例如，R1和 R2可以用 2% 的容差来定义，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 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） 区域，尽管这通常需要定制设计。

4. 评估分频器中的 TCR 和 VCR 误差

提供了 R1值足够高，电压足够低，分压器中的自热水平较低。如果是这种情况，分别测量 TCR 和 VCR 效果相对容易。TCR 效应是使用环境试验箱计算的，所得品质因数定义为温度系数电压比 （=frac{1E+6cdotfrac{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系数电压比 （=frac{1E+6cdotfrac{VRhv-VRlv}{VRlv}}{HV-LV}），单位为 ppm/°V，其中 VRhv 和 VRlv 是高电压和低电压下的电压比，HV 和 LV 是高电压和低电压。

如果自热不能忽略不计，那么在 TCR 测试中，应调整腔室温度以给出正确的 HT 值，并应分配时间让温度稳定下来。VCR 测试的持续时间应较短，以尽量减少温升。或者，可以使用环境试验箱在较高温度下测量低电压，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

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失之间进行权衡。通过指数放电计算选择合适的欧姆值：

[R_{max}=-TD/Ccdot Ln（V_{t}/V_{o}）]

其中 Td是放电时间，C 是假设正容差 V 的电容值t是安全阈值电压，Vo是初始电压。允许公差的标准值低于 R麦克斯应该使用。

对于选定的值 R，初始幂由 P 给出o= Vo 2/R .对于开关泄放器，这是峰值功率。对于连接的泄放器，它是连续耗散，选择的电阻器必须相应地额定值。

6. 选择合适的平衡电阻

当直流电压两端连接时，所有铝电解电容器都会出现漏电流。这可以通过与电容器并联的漏电阻来建模。这个电阻是非线性的，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的变化很大。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是总线电压的一半。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共享不均匀，并可能在漏电阻较高的电容器上出现电压过载。

解决方案是将平衡电阻器与每个电容器并联。这些是额定电压适当的高值电阻器，其匹配值在几个百分点以内。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，它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器的影响所淹没，电压大致相等。

7. 承受高压浪涌

有时，设计人员之所以考虑高压电阻器，是因为其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器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 没有高额定电压，但可以承受 1.2/50μs 高达 10kV 的峰值，而耐浪涌 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. 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，而且在某些情况下还会影响元件选择。当电阻器连接到高压电平时，重要的是要检查其端子之间的距离，如果是散热器安装部件，则检查电阻器和金属热界面之间的距离。这可以通过两种方式进行定义。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，间隙是空气中的短距离。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，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。随着这成为遗留标准，电阻器的持续不再相关。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得到帮助，因为他们知道仍有产品符合 IEC 60065 的要求。

9. 优化 PCB 布局

PCB 布局对于维护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，它包括一个额定电压为 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和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入矿物油来解决，这可以防止污染物进入并用具有更高介电强度的物质代替空气。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，必须选择以避免脱气风险的绝缘部件。任何与组件结合的空气都会形成空隙，其中可能会发生局部放电，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粗糙或多孔涂层饰面的部件。环氧树脂涂层，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供建议。