Scoprire i dettagli dei componenti passivi per alta tensione

Molti ingegneri si concentrano sui sistemi a bassa tensione con rail a pochi volt, ma oggi gli sforzi di progettazione si indirizzano sempre più al mondo dell'alta tensione. Le tensioni elevate sono utilizzate da sempre, poiché sono necessarie per alimentare in modo efficiente applicazioni ad alta potenza. Ora, tuttavia, vista la grande attenzione riservata ai veicoli elettrici (EV) di vario tipo, alle energie rinnovabili e ai relativi sistemi di immagazzinaggio dell'energia, nonché all'efficienza energetica in generale, è cresciuta l'esigenza di rail di alimentazione e componenti che operano a centinaia di volt o più.

Anche se, sui diagrammi schematici, molti di questi progetti ad alta tensione possono sembrare simili a quelli a bassa tensione, c'è un'enorme differenza tra la costruzione di un sottosistema di batterie ricaricabili che fornisce pochi volt e watt rispetto, ad esempio, al gruppo di alimentazione di un veicolo elettrico che funziona a 600-800 V erogando kilowatt e immagazzinando megajoule. Non solo i componenti attivi come i MOSFET devono avere una capacità nominale per queste tensioni più elevate, ma anche quelli passivi associati, come resistori, condensatori, contatti, connettori e altri.

In poche parole: le linee guida di base per i circuiti in bassa tensione non sono più valide. Ci si deve muovere nel mondo della formazione di archi elettrici, di scintille, cedimento dell'isolamento, usura da sfregamento dei contatti e deterioramento del materiale. Gli errori nella scelta dei materiali, nella selezione dei componenti e nel loro posizionamento fisico sono costosi e spesso pericolosi e le riprogettazioni, per quanto a prima vista possano sembrare di lieve entità, richiedono tempo, sono frustranti e soggette a nuove revisioni del progetto.

Le implicazioni della progettazione per alta tensione

Cosa significa in pratica? Innanzitutto, ci sono molti standard che definiscono l'isolamento e altri requisiti per il mondo dell'alta tensione, che diventano sempre più rigidi e rigorosi man mano che la tensione sale a centinaia e persino migliaia di volt. Alcuni di questi standard sono promulgati da organizzazioni di regolamentazione collegate al governo, mentre altri sono stabiliti da associazioni di settore e alcuni sono definiti da buone pratiche ingegneristiche.

Uno dei requisiti più tangibili è legato alla distanza di isolamento in aria e a quella di isolamento superficiale minime. Tali requisiti entrano in vigore quando la tensione operativa è superiore a 30 V c.a. o 60 V c.c., valori considerati potenzialmente pericolosi. La distanza di isolamento in aria è la distanza più breve in aria tra due conduttori, mentre la distanza di isolamento superficiale misura la distanza più breve lungo la superficie del materiale isolante (Figura 1).

Figura 1: Le considerazioni sul layout per l'alta tensione iniziano dalla distanza di isolamento in aria, la distanza più breve in aria tra due conduttori, e dalla distanza di isolamento superficiale, ovvero la distanza più breve lungo la superficie del materiale isolante. (Immagine per gentile concessione di Altium Limited)

I requisiti di layout della scheda a circuiti stampati per le dimensioni minime di distanza di isolamento in aria e superficiale variano a seconda dei materiali, della tensione e delle condizioni ambientali. Gli standard IEC 60601 e IPC 2221 sono le linee guida principali per la spaziatura tra i conduttori a diverse tensioni e in diversi scenari, ma ce ne sono molti altri specifici per ogni applicazione. Oltre a questi requisiti di base, esistono standard che definiscono i materiali, come i tipi di isolamento e lo spessore. Troviamo anche in questo caso delle sottigliezze, come la differenza tra le classificazioni "Elencato UL" e "Riconoscimento UL" (vedere Contenuto correlato).

I componenti, a loro volta, differiscono radicalmente

Anche se un progetto potrebbe soddisfare tutti gli standard normativi fisici, tra cui la distanza di isolamento superficiale e quella in aria commisurate alla classificazione di alta tensione del progetto, per creare una distinta base adeguata rimane molto lavoro da fare. Un resistore che funzionerà e rimarrà in servizio lavorando a centinaia di volt è molto diverso da uno che opera entro un modesto intervallo di 10 ~ 20 V. Ogni aspetto della sua progettazione, della selezione dei materiali, del processo di produzione e del tipo di contenitore complessivo è unico.

Ad esempio, la serie TNPV di Vishay Dale di resistori per alta tensione a film sottile qualificati per il settore automotive (AEC-Q200), come TNPV1206330KBYEA da 330 kΩ, è progettata per il funzionamento fino a 1000 V. Essendo destinati principalmente alla misurazione accurata dell'alta tensione, il loro materiale sofisticato, la costruzione e la taratura a laser devono rispondere a specifiche piuttosto rigide. Tra queste vi sono un coefficiente di bassa tensione inferiore a 1 ppm/V, tolleranza fino a ±0,1% e un coefficiente di temperatura della resistenza (TCR) fino a ±10 ppm/°C (Figura 2).

Figura 2: I resistori della serie TNPV utilizzano una combinazione di materiali, progettazione e fabbricazione specifici per ottenere il funzionamento e le tolleranze richiesti per l'alta tensione. (Immagine per gentile concessione di Vishay Dale)

Vishay mette in evidenza che il trimming fine aiuta a ridurre i gradienti di tensione lungo i segmenti dell'elemento resistivo, migliorando così la stabilità alle alte tensioni. Questa progettazione e costruzione avanzate garantiscono stabilità e precisione dell'applicazione in quello che altrimenti sarebbe un resistore in chip ordinario alloggiato in un contenitore standard 3216 (metrico).

La situazione per i condensatori è simile. Prendiamo ad esempio FHC16I0307K, un condensatore a film da 300 µF della serie FHC di Kyocera AVX, che protegge i semiconduttori di potenza nei veicoli elettrici e ibridi. La protezione è assicurata da un filtraggio c.c. che impedisce alle correnti di ripple di raggiungere la fonte di alimentazione e livella le variazioni di tensione del bus in corrente continua.

FHC16I0307K è conforme ad AEC-Q200 e IEC 61071-1/IEC 61071-2 (per condensatori elettronici di potenza). È sottoposto a un trattamento speciale per avere un'altissima rigidità dielettrica in condizioni operative fino a 115 °C ed è alloggiato in una custodia rettangolare in plastica metallizzata riempita di resina di 237 × 72 × 50 mm (Figura 3). Sebbene i condensatori di filtraggio a bassa tensione da 300 µF siano molto comuni, questi sono classificati per il funzionamento a 450 V c.c. Usano una struttura in polipropilene metallizzato, segmentato, avvolto a secco (senza olio) che presenta un processo autorigenerante controllato.

Figura 3: I condensatori a effetto di massa FHC16I0307K sono progettati per l'uso in campo automotive. Hanno una capacità nominale fino a 450 V c.c., una struttura in polipropilene metallizzato e sono alloggiati in una custodia plastica metallizzata. (Immagine per gentile concessione di Kyocera AVX)

Inoltre, una caratteristica unica della tecnologia metallizzata segmentata è il comportamento del condensatore al termine della propria vita utile. A differenza dei condensatori elettrolitici, che presentano una modalità di avaria da cortocircuito, questi condensatori a film subiscono solo una perdita parametrica di capacità, senza modalità di avaria catastrofica. Il condensatore perde gradualmente e ordinatamente capacità nel corso della sua vita utile, fino a diventare un circuito aperto.

Conclusione

Sebbene gli schemi possano sembrare simili a quelli dei circuiti a bassa tensione, i progettisti di sistemi ad alta tensione nell'ordine di centinaia di volt o più devono essere perfettamente consapevoli che si trovano di fronte a una serie di sfide interessanti per quanto riguarda normative, layout, materiali strutturali, selezione dei componenti e distinta base finale. Come è stato illustrato, al momento di selezionare i componenti attivi e passivi appropriati, i progettisti devono prestare molta attenzione alle schede tecniche, alle definizioni dei fornitori e ai parametri dei componenti. Potrei anche suggerire di parlare con il fornitore in merito alle specifiche del proprio progetto, giusto per andare sul sicuro.

Contenuto correlato

Triad Magnetics, "Elencato UL e Riconoscimento UL: qual è la differenza?"

https://info.triadmagnetics.com/blog/ul-listed-vs-ul-recognized

Vishay Intertechnology, "Una panoramica dei resistori per alte tensioni di Vishay Dale"

https://www.vishay.com/docs/49601/_high_voltage_resistors_vmn-sg2087-1612.pdf

Vishay Intertechnology, "Panoramica dei resistori per alte tensioni a film sottile"

https://www.vishay.com/docs/48637/_tnpv_ppt_product_overview_nov2018.pdf