【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(dú)特的挑戰(zhàn)。因此，如何設(shè)計(jì)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(dòng)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(dú)特的挑戰(zhàn)。因此，如何設(shè)計(jì)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(dòng)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(jí)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(jì)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(jì)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(diǎn)尺寸和壓力增加，再加上采用特殊合金材料，那么可以實(shí)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(shí)候考慮真空開關(guān)
常規(guī)開關(guān)會(huì)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(shí)，填充于開路觸點(diǎn)之間的空氣會(huì)迅速電離成為導(dǎo)電路徑。因此，盡管觸點(diǎn)斷開，但電離氣體仍可維持電路——這個(gè)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(gè)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(jì)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(diǎn)提供了一個(gè)惰性的環(huán)境。真空實(shí)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(shí)，不會(huì)發(fā)生空氣或電介質(zhì)氣體的分解，因此也就不會(huì)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(huì)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(huì)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(shí)
當(dāng)繼電器用作絕緣體時(shí)，開路觸點(diǎn)之間和/或觸點(diǎn)與地面之間將會(huì)存在射頻電壓。在所有的實(shí)際應(yīng)用中，繼電器都有一個(gè)1-2皮法的高壓電容。流經(jīng)該電容的泄漏電流會(huì)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(shí)其工作頻率也要控制在32MHz以下。選擇特定的繼電器時(shí)，這些限制因素均應(yīng)予以考慮。
什么時(shí)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?yàn)槲覀兛梢酝ㄟ^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(gè)優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)橥ǔＴ跀?shù)微秒時(shí)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(diǎn)。這種方案有一個(gè)優(yōu)點(diǎn)：氣體的混合比例和壓力可以事先設(shè)定，以便在觸點(diǎn)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(diǎn)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(gè)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?yàn)檎婵绽^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(diǎn)采用真空密封，因此可在易爆或腐蝕性環(huán)境中實(shí)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(huì)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(huì)比較低。觸點(diǎn)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(shí)，觸點(diǎn)在閉合的瞬間和隨后的彈跳過程中都會(huì)產(chǎn)生電弧。電弧會(huì)引起觸點(diǎn)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(diǎn)熔結(jié)，至少會(huì)導(dǎo)致相當(dāng)程度的觸點(diǎn)損壞。因此，電弧的持續(xù)時(shí)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(diǎn)通常使用鎢或鉬制成，因?yàn)檫@些金屬硬度大且熔點(diǎn)高，可以耐受電弧的高溫作用。有些毫安級(jí)電流的高壓繼電器使用銅制觸點(diǎn)，但它們通常只用于“中繼”應(yīng)用。
選擇適當(dāng)?shù)睦^電器時(shí)，電路負(fù)載的類型是一個(gè)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(shí)，觸點(diǎn)會(huì)在分離的瞬間產(chǎn)生電弧，直到觸點(diǎn)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(shí)間取決于觸點(diǎn)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?yàn)榻涣麟娏髅堪雮€(gè)周期就會(huì)自行斷開一次。極性轉(zhuǎn)換可防止金屬一直朝著同一個(gè)方向移動(dòng)，這種情況通常會(huì)導(dǎo)致直流負(fù)載較早發(fā)生觸點(diǎn)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(chǔ)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(gè)保持電流不變的電壓（–L[di/dt]）。電感的能量耗盡，電流才會(huì)消失。如果不采用快速斷路觸點(diǎn)或其他方式來斷開電感性負(fù)載，那么電弧的持續(xù)時(shí)間將直接取決于負(fù)載的時(shí)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(huì)出現(xiàn)這個(gè)問題，因?yàn)槊堪雮€(gè)周期結(jié)束時(shí)會(huì)發(fā)生極性反轉(zhuǎn)，迫使電流過零。同時(shí)，電流與電壓存在相位差，并且在電流的后半個(gè)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(diǎn)為電容充放電，將會(huì)產(chǎn)生大浪涌電流。其對于觸點(diǎn)的影響取決于初始峰值電流的幅值和電路的時(shí)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(diǎn)與殼體之間會(huì)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(shí)際應(yīng)用中通常同時(shí)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(chǔ)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(diǎn)試圖在彈跳期間斷開極高的電流，那么就會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)電弧致使觸點(diǎn)金屬熔化，最終導(dǎo)致觸點(diǎn)熔結(jié)。正弦交流電會(huì)使情況變得更糟，因?yàn)榻涣麟姷姆逯惦妷汉碗娏鞣謩e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(jì)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(jì)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(píng)估與高電壓/大電流電路相關(guān)的電源管理產(chǎn)品是一個(gè)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(jì)人員的工作，TE提供了一個(gè)“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(jì)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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