Руководство по проектированию Pcbs с высоковольтной изоляцией для приложений преобразования энергии

Понимание важности высоковольтной изоляции в дизайне печатных плат

При проектировании печатных плат для систем преобразования энергии высоковольтная изоляция является критическим фактором, который непосредственно влияет как на безопасность, так и на эксплуатационную надежность. Приложения преобразования мощности, такие как источники питания в режиме переключения, инверторы, зарядные устройства электромобилей и промышленные приводы двигателей, обычно обрабатывают напряжения значительно выше безопасного порога низкого напряжения 60 В постоянного тока. Без надлежащей конструкции изоляции эти системы рискуют катастрофическим отказом, дугообразованием и опасностями безопасности для конечных пользователей. Основная цель состоит в том, чтобы создать надежное диэлектрическое разделение между высоковольтными и низковольтными доменами, чтобы любой сбой или переход на первичной стороне не распространялся на вторую сторону, где присутствуют пользователи или чувствительная управляющая электроника.

Инженеры должны подходить к высоковольтной конструкции ПХД с глубоким пониманием распределения электрического напряжения, поведения материала при высоких электрических полях и нормативной среды, которая регулирует координацию изоляции. Эта статья предоставляет всеобъемлющие руководящие принципы для проектирования ПХД с надежной высоковольтной изоляцией, охватывающие выбор материала, методы компоновки, выбор компонентов и соблюдение международных стандартов безопасности. Независимо от того, разрабатываете ли вы преобразователь постоянного тока 400 В для электрического транспортного средства или инвертор 1 кВ для солнечных энергетических систем, эти принципы применяются по всему спектру напряжения.

Основные концепции изоляции ПХБ

Прежде чем погрузиться в конкретные правила проектирования, важно понять ключевые электрические параметры, которые регулируют высоковольтную изоляцию на ПХД. Необходимо управлять двумя критическими расстояниями: зачистка (кратчайшее расстояние по воздуху между двумя проводящими частями) и сжатие (кратчайшее расстояние вдоль поверхности изоляционного материала между двумя проводящими частями). Оба определяются международными стандартами, такими как IEC 60664-1 и IEC 60950-1, и они зависят от рабочего напряжения, степени загрязнения, группы материала и высоты работы.

Еще одна важная концепция - диэлектрическое напряжение выдерживания , часто выражаемое как максимальное напряжение, которое изоляция может выдержать без поломки. Это обычно проверяется с помощью теста на гипот (высокопотенциальное), который применяет напряжение, значительно превышающее рабочее напряжение в течение заданной продолжительности. Сама подложка ПХБ, наряду с любыми конформными покрытиями или соединениями горшка, способствует общей диэлектрической прочности барьера изоляции.

Классификация напряжения и типы изоляции

Конструкции преобразования мощности обычно используют один из трех типов изоляции в зависимости от требований приложения. Функциональная изоляция обеспечивает только достаточную изоляцию для правильной работы цепи и не предлагает защиты от электрического шока. Базовая изоляция обеспечивает один уровень защиты от удара, но требует дополнительной системы защиты, такой как наземное соединение или корпус. Усиленная изоляция обеспечивает уровень защиты, эквивалентный двойной изоляции и обычно требуется для медицинских устройств, инверторов с сеткой и адаптеров питания потребителей. Понимание того, какой класс изоляции должен соответствовать вашему дизайну, является первым шагом в установлении целей клиренса и скрещивания.

Выбор материала для высоковольтных субстратов ПХБ

Основной материал ПХБ играет важную роль в определении максимального напряжения и долгосрочной надежности изоляционного барьера. Стандартный эпоксидный стеклянный ламинат FR-4 является наиболее часто используемым материалом, но он имеет ограничения при более высоких напряжениях и частотах. Для конструкций преобразования мощности, работающих выше 500 В, инженеры часто обращаются к специализированным высоковольтным ламинатам с более высокой диэлектрической прочностью и лучшим сопротивлением слежения.

Диэлектрическая сила и толщина

Диэлектрическая прочность измеряется в вольтах на милю (V/миль) или киловольтах на миллиметр (кВ/мм). Стандартный FR-4 обычно предлагает диэлектрическую прочность около 20 кВ/мм, но это значение уменьшается с толщиной и при повышенных температурах. Для достижения выдерживающего напряжения 3кВ и более, общего требования к источникам питания, изолированным от сети, подложка ПХБ должна иметь достаточную толщину. Многие конструкторы используют минимум от 0,8 мм до 1,6 мм материала FR-4 между первичным и вторичным слоями. Для применений выше 1кВ рекомендуется использовать 2,0 мм или более толстые подложки, или для достижения необходимого расстояния изоляции могут быть уложены несколько слоев препрега.

Сопротивление слежения за материалами (CTI)

Индекс сравнительного отслеживания (CTI) является мерой сопротивления материала отслеживанию поверхности при электрическом напряжении и загрязнении. Материалы классифицируются на группы I, II, IIIa и IIIb на основе их значений CTI, причем группа I является наиболее устойчивой. Для высоковольтных конструкций, работающих в загрязненных средах (степень загрязнения 2 или 3), выбор материала с высоким рейтингом CTI необходим для предотвращения поверхностной дуги и карбонизации. Такие материалы, как полимид и высокоCTI FR-4 (с рейтингами выше 600 В) предпочтительны для плат преобразования мощности, которые должны соответствовать строгим стандартам безопасности.

Конформные покрытия и хлопающие соединения

Применение конформного покрытия к собранной ПХБ значительно повышает изоляцию поверхности и снижает риск разрушения скрежемента. Такие материалы, как силиконовое, акриловое и уретановое покрытия, могут повысить эффективную диэлектрическую прочность системы изоляции и защитить от влаги, пыли и химических загрязнений. Для экстремальных высоковольтных применений закачивание всего высоковольтного участка в силиконовое или эпоксидное смоловое соединение обеспечивает еще большую надежность изоляции. При использовании конформных покрытий важно обеспечить равномерное нанесение покрытия и отсутствие пустот или пузырьков, поскольку они могут стать местами для частичного инициирования разряда.

Руководство по планированию ПХБ для высоковольтной изоляции

Правильная компоновка является наиболее эффективным способом обеспечения надежной высоковольтной изоляции. Каждый след, с помощью и решение о размещении компонентов влияет на распределение электрического поля и потенциал для дуги. Следующие руководящие принципы должны систематически применяться на протяжении всего процесса проектирования.

Требования к удаленности

Минимальные расстояния зазора определяются стандартами безопасности на основе пикового рабочего напряжения и степени загрязнения рабочей среды. Для типичной среды Степень загрязнения 2 (неконденсирующее, случайное проводящее загрязнение) МЭК 60664-1 обеспечивает следующие приблизительные значения зазора для базовой изоляции : при 250 В RMS, 1,5 мм; при 400 В RMS, 2,5 мм; при 600 В RMS, 4.0 мм; при 1000 В RMS, 6,0 мм. Для усиленной изоляции эти значения удваиваются. Дизайнеры всегда должны консультироваться с последней редакцией применимого стандарта и добавлять запас не менее 20% для учета производственных допусков и эффектов старения.

Creepage Дистанционные вопросы

Расстояния на крипедже, как правило, больше, чем расстояния на клиренсе, поскольку поверхность ПХБ обеспечивает путь утечки, который может быть более восприимчивым к загрязнению и влаге. Требуемое расстояние на крипедже зависит от рабочего напряжения, группы материала и степени загрязнения. Для материала группы II (CTI 400-599V) в Степень загрязнения 2, IEC 60664-1 предполагает расстояния на крипеже около 3,2 мм для 250 В RMS, 5,0 мм для 400 В RMS, 8,0 мм для 600 В RMS и 12,0 мм для 1000 В RMS. Эти расстояния должны измеряться вдоль поверхности ПХБ, включая любые слоты или канавки, которые увеличивают длину пути.

Маршрутизация и разделение трасс

Следы высокого напряжения должны быть маршрутизированы как можно короче и прямо, чтобы минимизировать площадь высоковольтной петли, которая уменьшает излучаемые выбросы и емкостную связь. Держите следы высокого напряжения по крайней мере на минимальном расстоянии клиренса от любой низковольтной схемы и избегайте их параллельной протяженности. Когда следы должны пересекаться с одной стороны платы на другую, используйте 90-градусный переход через отдельные слои с наземной плоскостью или слоем изоляции между ними. Также хорошей практикой является поддержание зоны поддержания вокруг высоковольтных компонентов, чтобы следы низкого напряжения или сквозняки не были помещены в границу клиренса.

Следы и слоты изоляции

Следы защиты представляют собой заземленные медные кольца или дорожки, расположенные вокруг высоковольтных областей для отвода токов утечки и уменьшения емкостной связи. При использовании с надлежащим зазором защитные следы могут значительно улучшить производительность изоляции. Для очень высоких напряжений, слоты изоляции или канавки, разрезанные на материал ПХБ, физически увеличивают расстояние скрежеции и разрывают пути загрязнения поверхности. Слоты должны быть не менее 1 мм в ширину и простираться через маску припоя к основному материалу. Если используются несколько слотов, они должны быть расположены в пошатнутом рисунке, чтобы максимизировать длину пути.

Стратегия стекания слоев

Хорошо спроектированное сложение слоев может значительно улучшить изоляцию, обеспечивая физическое разделение между высоковольтными и низковольтными плоскостями. В четырехслойной плате общее расположение заключается в размещении всех высоковольтных компонентов и следов на верхнем слое с выделенным слоем изоляции (например, толстым препрегом) между верхним и внутренним слоями. Внутренние плоскости могут использоваться для распределения высоковольтной мощности, в то время как нижний слой несет только низковольтные сигналы и землю. Для шести или более слоевых плат рассмотрите резервирование всего внутреннего слоя как плоскость экрана , связанная с защитной землей, которая обеспечивает как экранирование электрического поля, так и дополнительное диэлектрическое разделение.

Выбор компонентов для барьеров изоляции

Выбор компонентов, пересекающих границу изоляции, так же важен, как и сама компоновка ПХД. Такие компоненты, как трансформаторы, оптопары, цифровые изоляторы и реле, должны соответствовать тем же требованиям к скрежещу и клиренсу, что и подложка ПХД.

Трансформаторы и смешанные индукторы

В конструкциях преобразования мощности трансформатор часто обеспечивает первичную гальваническую изоляцию. Система изоляции внутри трансформатора должна быть рассчитана на напряжение пикового напряжения и должна включать усиленную изоляцию между первичной и вторичной обмотками. Для этого обычно требуется тройная изоляция провода или слоя с достаточной диэлектрической прочностью. Физическое расстояние между ядром и обмотками, а также расстояние между первичным и вторичным штифтами на бобине также должно соответствовать требованиям скрежежа.

Изолирующие ИС и оптопары

Современные цифровые изоляторы и оптопары доступны с рейтингами изоляции, превышающими 5кВ и расстояниями скреажа 8 мм или более, что делает их пригодными для усиленной изоляции в системах преобразования мощности. При использовании этих устройств обратите внимание на рейтинг напряжения изоляции (VIOSM) и максимальное рабочее напряжение (VIOWM). Отпечаток ПХД должен поддерживать указанное расстояние скреажа между входными и выходными штифтами, для чего может потребоваться слот в плате под компонентом для разделения двух сторон. Всегда проверяйте, что значения клиренса и скреага компонента совместимы с вашими общими требованиями к изоляции.

Gate Drive Трансформаторы и Сдвиги уровней

Для драйверов с высокой стороны затвора в топологиях моста изоляция между цепью управления и переключателем питания часто использует трансформатор привода затвора или интегральную схему с изменением уровня. Эти компоненты должны выдерживать полное напряжение шины плюс любые переходные сигналы. Используйте компоненты с гарантированными спецификациями изоляции и убедитесь, что компоновка ПХБ вокруг схемы водителя поддерживает тот же клиренс, что и первичная стадия питания.

Защитные меры и методы проектирования

Помимо базовой компоновки и выбора материала, несколько дополнительных методов могут повысить надежность и безопасность высоковольтных ПХД.

Кольца охраны и щиты

Защитное кольцо представляет собой заземленный медный след, который окружает высоковольтный узел для захвата токов утечки и предотвращения их достижения чувствительных схем. Защитные кольца особенно эффективны в высокоимпедансных схемах, где даже крошечные токи утечки могут вызывать ошибки измерения. Защитное кольцо должно быть подключено к заземленной ссылке с низким сопротивлением, и оно должно быть отделено от высоковольтного узла тем же расстоянием клиренса, что и любой другой низковольтный след. Для высокочастотных преобразователей мощности, надлежащее экранирование между первичной и вторичной сторонами также может уменьшить шум общего режима, который в противном случае мог бы соединяться через барьер изоляции.

Частичное смягчение выписки

Частичный разряд (ПД) — это локализованный диэлектрический пробой, возникающий в пустотах или дефектах в системе изоляции. Со временем ПД разрушает изоляцию и может привести к катастрофическому отказу. Конструкции ПХД высокого напряжения, работающие выше 500В, должны оцениваться на предмет частичного разряда начального напряжения (ПДИВ) и погашенного напряжения (ПДЭВ). Для минимизации ПД, использования материалов с низким содержанием пустот, обеспечения правильного образования филе припоя на штифтах компонентов сквозного отверстия и избегания острых краев на медных следах, которые могут концентрировать электрические поля. Закругление углов трассировки и использование поддонов для слезоточивости на высоковольтных сетках помогает более равномерно распределять напряжение поля.

Основные стратегии изоляции

Правильная схема заземления имеет важное значение как для безопасности, так и для производительности EMC. В изолированных преобразователях питания первичные и вторичные основания обычно разделяются барьером изоляции. Подключите первичный грунт к защитной земле (PE), как требуется стандартами безопасности, и удерживайте вторичный грунт плавающим или подключенным к PE через путь высокого давления. Избегайте создания наземных петель, которые могут связывать шум через барьер. Конденсатор Y , расположенный между первичным и вторичным основаниями, часто используется для обеспечения пути низкого давления для шума общего режима при сохранении гальванической изоляции на частотах постоянного тока и линий электропередач.

Тепловое управление в высоковольтных конструкциях

Высокие уровни мощности генерируют тепло, которое может разрушать изоляционные материалы и уменьшать расстояния скрещивания. Конструкция должна учитывать повышение температуры ПХД и обеспечивать, чтобы система изоляции оставалась в пределах своего номинального температурного класса. Для высокотемпературных компонентов преобразования мощности, таких как MOSFET и диоды, используют тепловые панели и радиаторы, которые не компрометируют изоляцию. Если радиатор тепла должен быть электрически подключен к высоковольтному узлу, убедитесь, что он физически изолирован от любых низковольтных компонентов на требуемом расстоянии клиренса.

Соблюдение стандартов безопасности и испытаний

Каждая конструкция ПХД высокого напряжения должна быть проверена на соответствие соответствующим стандартам безопасности, чтобы обеспечить соответствие нормативным требованиям для целевого рынка.

  • IEC 60664-1 — Координация изоляции оборудования в низковольтных системах (до 1 кВ AC/1,5 кВ постоянного тока)
  • IEC 60950-1 / IEC 62368-1 - Безопасность информационных технологий и аудио/видео оборудования (включает требования к электроснабжению)
  • IEC 61010-1 — Требования безопасности для электрооборудования для измерения, контроля и лабораторного использования
  • UL 60950-1 и UL 62368-1 — североамериканские эквиваленты стандартов МЭК выше
  • IEC 60747-5-5 - Требования к изоляции оптопар

Высоковольтное тестирование с выдержкой (Hipot)

Наиболее фундаментальным испытанием на высоковольтную изоляцию является испытание на диэлектрическую выдержку, обычно называемое испытанием на гипот. Во время этого испытания между первичной и вторичной цепями в течение заданного времени (обычно 60 секунд) применяется напряжение выше номинального рабочего напряжения. Для усиленной изоляции испытательное напряжение часто составляет 2× рабочее напряжение плюс 1000 В или более. Испытание считается проходом, если нет вспышки или пробоя и если ток утечки остается ниже заданного порога. Испытание должно проводиться на досках прототипа и на выборочной основе во время производства для проверки согласованного качества.

Измерение сопротивления изоляции

Испытание на изоляционное сопротивление (IR) измеряет сопротивление постоянного тока между изолированными цепями при определенном испытательном напряжении (часто 500 В или 1000 В). Высокое значение ИК, обычно выше 100 МОм, указывает на то, что изоляция не повреждена и не загрязнена или не содержит влаги. Этот тест чувствителен к условиям окружающей среды, поэтому его следует проводить в контролируемой среде с известными уровнями температуры и влажности.

Частичное испытание на разряд

Для конструкций, работающих выше 500 В, рекомендуется проводить испытания на частичный разряд для обеспечения долгосрочной надежности изоляции. Испытание предполагает применение высокого напряжения переменного тока и измерение заряда, выделяемого внутренними разрядами внутри изоляции. ПДИВ должен быть по меньшей мере в 1,5 раза пиковым рабочим напряжением для обеспечения адекватного запаса. Это испытание особенно важно для досок, которые будут загораться или покрываться, поскольку процесс инкапсуляции может вводить пустоты, вызывающие ПД.

Проверка Creepage и Clearance

Во время обзора конструкции физически измеряйте расстояния скрежещивания и клиренса на макете печатной платы с помощью инструментов проверки правил проектирования (DRC) или ручного измерения. Обратите особое внимание на области, где маска припоя удаляется, например, на блок-подкладках и испытательных точках, поскольку это места, где расстояние скрежета уменьшается. Также проверяйте, что расстояния поддерживаются, когда плата установлена в окончательном корпусе, поскольку оборудование для монтажа и проводка могут непреднамеренно уменьшить клиренс.

Практический контрольный список дизайна для высоковольтной изоляции ПХД

Чтобы помочь инженерам реализовать обсуждаемые руководящие принципы, в течение цикла проектирования можно использовать следующий контрольный список:

  1. Определить требуемый тип изоляции (функциональный, базовый или усиленный) на основе применения и стандарта безопасности.
  2. Выберите подложку ПХБ с достаточной диэлектрической прочностью, толщиной и рейтингом CTI для рабочего напряжения.
  3. Вычислите минимальные расстояния клиренса и скрежежа с использованием IEC 60664-1 или применимого стандарта и добавьте 20% запаса прочности.
  4. Определите зоны выдержки вокруг высоковольтных компонентов и следов, гарантируя отсутствие проникновения низковольтных элементов.
  5. Маршрутные высоковольтные трассы отходят от низковольтных участков, используя при необходимости защитные трассы или слоты изоляции.
  6. Выберите компоненты изоляции (трансформаторы, изоляторы, оптопары) с характеристиками, превышающими требуемое выдерживающее напряжение.
  7. Реализуйте стратегию заземления, которая разделяет первичные и вторичные основания и включает защитное соединение земли.
  8. Рассмотрите конформное покрытие или горшок для повышения надежности, особенно в загрязненных или влажных средах.
  9. Выполните проверку правил проектирования для клиренса и перелистывания, а также просмотрите макет для острых краев или пустот.
  10. Проверяйте конструкцию с помощью гипота, сопротивления изоляции и частичного испытания на разряд прототипов.

Заключение

Проектирование ПХД с высоковольтной изоляцией для приложений преобразования энергии требует тщательного внимания к свойствам материала, геометрии компоновки, выбору компонентов и соблюдению международных стандартов безопасности. Компромиссы между стоимостью, размером и производительностью изоляции должны управляться продуманно. Следуя рекомендациям, изложенным в этой статье, инженеры могут создавать платы преобразования энергии, которые являются безопасными и надежными, удовлетворяя строгие требования современных энергетических систем, промышленных приводов и бытовой электроники. Поскольку уровни напряжения продолжают расти с принятием систем аккумуляторов более высокого напряжения и инфраструктуры возобновляемых источников энергии, овладение высоковольтной конструкцией ПХД становится все более ценным навыком в индустрии силовой электроники.

For additional reference, consult the following resources: Würth Elektronik Application Notes on Isolation, the TI High-Voltage Isolation Design Guide, and the IEC 60664-1 standard for detailed insulation coordination requirements.