【導(dǎo)讀】天線、雷達(dá)、測距儀、衛(wèi)星、車輛、艦船、其他航空和國防應(yīng)用，以及270 VDC飛機(jī)電源系統(tǒng)里面都有高壓/大電流電路，這給電源管理帶來了獨特的挑戰(zhàn)。因此，如何設(shè)計出能夠在較小的空間內(nèi)更有效地處理高功率的解決方案可謂至關(guān)重要。電動汽車、充電站、電池系統(tǒng)以及太陽能和風(fēng)能應(yīng)用的配電也是這種情況。
天線、雷達(dá)、測距儀、衛(wèi)星、車輛、艦船、其他航空和國防應(yīng)用，以及270 VDC飛機(jī)電源系統(tǒng)里面都有高壓/大電流電路，這給電源管理帶來了獨特的挑戰(zhàn)。因此，如何設(shè)計出能夠在較小的空間內(nèi)更有效地處理高功率的解決方案可謂至關(guān)重要。電動汽車、充電站、電池系統(tǒng)以及太陽能和風(fēng)能應(yīng)用的配電也是這種情況。
本文說明了高級繼電器和接觸器如何應(yīng)對嚴(yán)苛的配電需求，因此可以簡化設(shè)計人員的工作；此外，本文還介紹了一種工具，方便對各種接觸器和繼電器功能做出選擇。
配電技術(shù)有著各種各樣的類型。許多露天開關(guān)設(shè)計只能承受幾百伏的電壓。但是，小型、輕巧、密封的設(shè)備若采用具有良好介電性能的氣體或真空，則其開關(guān)電壓可以高達(dá)70千伏（kV）。
就接觸器而言，觸點尺寸和壓力增加，再加上采用特殊合金材料，那么可以實現(xiàn)高達(dá)1000安的大電流管理。將內(nèi)置霍爾效應(yīng)電流傳感器集成于接觸器，還可以將這些設(shè)備變成“智能”電流感應(yīng)版本。
高壓（1,000 VDC）KILOVAC K1K接觸器的額定連續(xù)電流為1000安
什么時候考慮真空開關(guān)
常規(guī)開關(guān)會產(chǎn)生電弧，因此幾乎不可能斷開千伏電路。當(dāng)電壓較高時，填充于開路觸點之間的空氣會迅速電離成為導(dǎo)電路徑。因此，盡管觸點斷開，但電離氣體仍可維持電路——這個問題在通用繼電器中并不普遍。
真空如何最大程度地減少飛弧問題
有一個解決方案可以解決飛弧問題，那便是去除接觸區(qū)域的可電離氣體。因此，高壓開關(guān)精心設(shè)計的目的就是為了在真空中正常工作。舉例來說，在10–6毫米汞柱的真空中，介電強(qiáng)度可達(dá)2000伏/密耳。
真空電介質(zhì)還為高壓觸點提供了一個惰性的環(huán)境。真空實際上消除了氧化和腐蝕的可能性。當(dāng)真空中出現(xiàn)電弧時，不會發(fā)生空氣或電介質(zhì)氣體的分解，因此也就不會產(chǎn)生腐蝕性的副產(chǎn)品。
射頻應(yīng)用
良好的絕緣性能和較低而穩(wěn)定的接觸電阻，是能夠在射頻（RF）開關(guān)中使用高壓真空繼電器的兩大原因。然而，任何繼電器在射頻應(yīng)用中都應(yīng)注意電流和電壓的限制。“趨膚效應(yīng)”將會產(chǎn)生影響，也就是說隨著頻率的增加，電流將從導(dǎo)體的中心向表面遷移。頻率越高則導(dǎo)電路徑的趨膚深度越小，迫使更多的電流通過更小的導(dǎo)體截面。這會導(dǎo)致導(dǎo)體表面局部受熱升溫，而高溫有可能損壞繼電器的密封性。
KILOVAC K81A高壓繼電器能夠耐受290°C（554°F）的高溫長達(dá)500小時
當(dāng)繼電器用作絕緣體時，開路觸點之間和/或觸點與地面之間將會存在射頻電壓。在所有的實際應(yīng)用中，繼電器都有一個1-2皮法的高壓電容。流經(jīng)該電容的泄漏電流會加熱絕緣體的損耗元件，進(jìn)而限制可以應(yīng)用的射頻電壓。
電流和電壓的限制使得射頻應(yīng)用有必要降低電流和電壓規(guī)格，同時其工作頻率也要控制在32MHz以下。選擇特定的繼電器時，這些限制因素均應(yīng)予以考慮。
什么時候考慮絕緣開關(guān)
并非所有的高壓繼電器/接觸器都是真空型的。擁有良好介電性能的惰性氣體也可用于高壓組件和系統(tǒng)。這種解決方案十分靈活，因為我們可以通過改變氣體的混合比例和/或壓力來控制受壓外殼中的擊穿電壓。氣體加壓滅弧是它的另一個優(yōu)點，因為通常在數(shù)微秒時間內(nèi)就可以完成滅弧。
充氣式開關(guān)設(shè)備可用于高壓電源開關(guān)，其功能是關(guān)閉常開觸點。這種方案有一個優(yōu)點：氣體的混合比例和壓力可以事先設(shè)定，以便在觸點接觸之前就產(chǎn)生電弧。此外，如果電路電壓高于3500伏，那么即使因觸點彈跳而使電路斷開，電弧也仍然保持穩(wěn)定，足以維持電流。如電容性放電電路所示，這種現(xiàn)象有助于延長充氣繼電器的使用壽命。
KILOVAC K41高壓真空介電繼電器可用于通斷負(fù)載開關(guān)
常規(guī)繼電器的接觸電阻不斷發(fā)生著變化，而真空繼電器的接觸電阻保持恒定且數(shù)值較低，在整個使用壽命期間其典型值為0.015歐姆。阻值之所以這么低，是因為真空繼電器統(tǒng)一使用清潔部件，沒有氧化或污染，而且接觸部位使用的是純金屬。由于觸點采用真空密封，因此可在易爆或腐蝕性環(huán)境中實現(xiàn)安全的開關(guān)操作。
充氣式繼電器的接觸電阻一般也比較低，但不像真空繼電器的接觸電阻那么低和那么穩(wěn)定。此外，其接觸電阻還會隨著測試方法的不同而發(fā)生變化。大容量、大電流的測試電路測得的阻值會比較低。觸點鍍金可以提高充氣式繼電器的穩(wěn)定性，并降低其接觸電阻。
電源開關(guān)的通斷和中繼負(fù)載因素
術(shù)語“電源開關(guān)”和“熱開關(guān)”是指通過激活繼電器來斷開或接通電源。對繼電器進(jìn)行開關(guān)操作時，觸點在閉合的瞬間和隨后的彈跳過程中都會產(chǎn)生電弧。電弧會引起觸點腐蝕，若不采取一定的預(yù)防措施，則電弧有可能導(dǎo)致觸點熔結(jié)，至少會導(dǎo)致相當(dāng)程度的觸點損壞。因此，電弧的持續(xù)時間以及電流和電壓的水平都是決定繼電器壽命和可靠性的重要因素。
高電壓電源開關(guān)繼電器的觸點通常使用鎢或鉬制成，因為這些金屬硬度大且熔點高，可以耐受電弧的高溫作用。有些毫安級電流的高壓繼電器使用銅制觸點，但它們通常只用于“中繼”應(yīng)用。
選擇適當(dāng)?shù)睦^電器時，電路負(fù)載的類型是一個重要的考慮因素。電路負(fù)載一般分為電容性負(fù)載、電感性負(fù)載和電阻性負(fù)載。
電阻性負(fù)載——直流電阻性負(fù)載斷開時，觸點會在分離的瞬間產(chǎn)生電弧，直到觸點徹底分離為止。在一定的電壓和電流條件下，電弧的持續(xù)時間取決于觸點的分離速度、冷卻速度以及電感和分布電容的消電離作用。在相同電壓下，交流負(fù)載比直流負(fù)載更容易斷開，因為交流電流每半個周期就會自行斷開一次。極性轉(zhuǎn)換可防止金屬一直朝著同一個方向移動，這種情況通常會導(dǎo)致直流負(fù)載較早發(fā)生觸點故障。
電感性負(fù)載——斷開直流電感性負(fù)載比斷開電阻性負(fù)載更難。電感中的存儲能量（[1/2]LI2，其中L代表電感，單位亨利；I代表電流，單位安培）可以產(chǎn)生一個保持電流不變的電壓（–L[di/dt]）。電感的能量耗盡，電流才會消失。如果不采用快速斷路觸點或其他方式來斷開電感性負(fù)載，那么電弧的持續(xù)時間將直接取決于負(fù)載的時間常數(shù)（L/R，其中R代表電阻，單位歐姆）。交流電感性負(fù)載不會出現(xiàn)這個問題，因為每半個周期結(jié)束時會發(fā)生極性反轉(zhuǎn)，迫使電流過零。同時，電流與電壓存在相位差，并且在電流的后半個周期，供電電壓反向于自感電壓。
電容性負(fù)載——閉合直流電路中的觸點為電容充放電，將會產(chǎn)生大浪涌電流。其對于觸點的影響取決于初始峰值電流的幅值和電路的時間常數(shù)。類似情況在交流電路中則不常見。要想得到最佳的效果，繼電器必須置于負(fù)載的接地端；否則，觸點與殼體之間會出現(xiàn)大電流電弧，繞過負(fù)載。電源是對浪涌電流的唯一限制。
在實際應(yīng)用中通常同時存在這三種負(fù)載，但是，具有大電容性負(fù)載或大電感性負(fù)載的電路由于儲有能量，因此比較難以進(jìn)行開關(guān)操作。更為復(fù)雜的是，某些電路存在大浪涌電流。在這種情況下，如果觸點試圖在彈跳期間斷開極高的電流，那么就會出現(xiàn)強(qiáng)電弧致使觸點金屬熔化，最終導(dǎo)致觸點熔結(jié)。正弦交流電會使情況變得更糟，因為交流電的峰值電壓和電流分別比相同負(fù)載電壓下的等效直流電大41%。
拓展思路以應(yīng)對新的挑戰(zhàn)
如今，許多應(yīng)用需要在更小的空間內(nèi)更有效地利用更高的功率。例如，與傳統(tǒng)的115/200V系統(tǒng)相比，270V直流系統(tǒng)可靠性更高、維護(hù)更方便、重量更輕且使用壽命更長。這種發(fā)展也要求對電源管理技術(shù)進(jìn)行更為細(xì)致的選擇。
設(shè)計者應(yīng)當(dāng)充分考慮電路條件，以及繼電器的電氣、機(jī)械和環(huán)境因素。此外，設(shè)計者還應(yīng)權(quán)衡繼電器的各種工作特性，并清楚繼電器術(shù)語是一種具有特殊含義的專業(yè)語言。
評估與高電壓/大電流電路相關(guān)的電源管理產(chǎn)品是一個復(fù)雜的課題，本文探討的開關(guān)技術(shù)的其他方面也莫不如此。為簡化設(shè)計人員的工作，TE提供了一個“虛擬開發(fā)人員工具包”，其中涵蓋了高壓接觸器、高壓繼電器、電線電纜和連接器。通過該工具包的便捷在線菜單，我們可以快速訪問產(chǎn)品功能和優(yōu)勢、圖紙、3D PDF和規(guī)格。該工具為設(shè)計人員提供了寶貴的見解，幫助他們精心選擇開關(guān)技術(shù)來應(yīng)對如今嚴(yán)苛的配電需求。
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