最大钳位电压和额定钳位电压

Posted 2023-05-16

最大钳位电压和额定钳位电压是电工行业中经常出现的两个术语，它们都与钳位有关。

最大钳位电压指的是安全测试设备的测量范围内最大电压值，通常情况下所选用的范围越小，测量误差就越小，但同时也需要注意测量的电压值不能超过最大钳位电压，否则可能会造成安全风险和设备的损坏。比如，一些万用表、钳形万用表的最大钳位电压通常在600V或1000V左右，高精度的安规测试仪的最大钳位电压则可以达到几千伏。

额定钳位电压指的是安全测试设备原本设计时可承受的电压范围，该值一般已经写明在设备标记上。电工在测试电路板元件、控制器、电机驱动等设备时需要参考该值，以便在进行安全测试时，选择最佳的钳位电压范围，从而避免测量电压超过所承受的范围而导致人身和设备损害的风险。

在使用测试仪器时，一定要仔细阅读使用手册和注意事项，并遵循电气安全标准和相关规定，以确保测试工作的稳定和安全。 参考技术A 最大钳位电压是指钳位所能承受的最大电压值，超过这个电压值就可能会导致钳位损坏或电击事故等危险情况发生。因此，在使用钳位时，需要注意不要超过最大钳位电压。
额定钳位电压是指钳位正常工作时的电压，也就是钳位所能承受的标准电压值。在使用钳位时，应该尽量控制在额定钳位电压范围内，以确保钳位正常工作，同时也可以保护电器设备。如果需要在超过额定钳位电压范围内使用钳位，应该选择具有更高最大钳位电压的钳位，并且需要特别注意安全问题。
需要注意的是，不同类型的钳位具有不同的最大钳位电压和额定钳位电压，具体数值需要根据钳位型号和规格来确定，使用前应该仔细查看说明书和标识。同时，在使用钳位时，还需要注意其它安全事项，例如正确接地、避免潮湿环境、避免超负荷使用等。 参考技术B 1. 最大钳位电压一般是指万用表等测试仪器最大可承受的电压，超过该电压可能会导致测试仪器被损坏。

2. 额定钳位电压是指万用表等测试仪器在正常使用情况下的推荐测量范围，超过该电压也可能导致测试误差增大，影响测量精度。

3. 在使用测试仪器时，需要根据待测电路的电压范围选择合适的量程或测量范围，以保证测量的准确性和避免设备损坏。

电源硬件设计----电源组件基本知识

1 电阻

1.1 电阻的分类

电阻分为固定电阻器和可变电阻器，其中固定电阻器分类如下图：

可变电阻器分类如下图所示：

1.2 电阻的参数术语

• 额定阻值
• 额定功率
• 额定使用温度
• 额定端子温度
• 降额曲线
• 额定电压
• 电介质耐电压
• 电阻温度系数
• 过载电压
• 最大工作电压

1.3 电源中电阻的基本应用

• 浪涌抑制电路
• 放电电路
• 缓冲吸收电路
• 电流检测电路

应用电路如图所示：

• 运放电路
• 电流噪声抑制电路
• 数字电路(上、下拉电阻)
• 阻尼电路

应用电路如图所示：

2 电容

2.1 电容基础知识

电容值计算如下：

等效电路如下：

• ESR=>影响发热
• ESL=>影响通过频率范围
• C=>影响通过频率范围
• Riso=>影响绝缘耐压
• Rleak=>影响漏电流

2.2 电容种类

电容包括电解电容、陶瓷电容、薄膜电容

电解电容分类：

• 形态：液体/固体
• 阳极材质：AI/Ta/Nb

电容对比	电解液电容	聚合物电容
结构	阳极为金属箔；电介质为金属氧化膜；阴极为电解液	阳极为金属箔；电介质为金属氧化膜；阴极为固态聚合物
优点	高电容值；高电压值；价格低廉	相对较高电容值；相对较高电压值；ESL低，ESR低，发热较低，耐高纹波电流；不会凝固，寿命较长，稳定性高
劣势	ESL高，ESR高，寿命短，使用时发热严重	价格高
应用	DC电源线低频噪声滤波	DC电源线低中高频噪声滤波
注意	有极性	有极性

陶瓷电容分类：

NP0(C0G)

• 容值较低
• 容值对温度/电压/时间变化低
• 误差较低(±5%)
• ESR，ESL低

X7R，X5R，Y5V

• 较高的电容值
• 容值对温度/电压/时间变化率高
• 误差稍高(±10%)
• ESR，ESL低

电解电容应用： 电源前端滤波，LC滤波
薄膜电容分类： MKT(聚酯膜电容器)、MKP(聚丙烯膜电容器)

薄膜电容应用：

• 电容并于电源线(L/N)上做差模滤波使用
• 电容并于电源线(L或N)和地线间做共模滤波使用

3 二极管

3.1 二极管基本伏安特性

3.2 二极管的分类

普通二极管有多种类型：

• 按材料分类：锗二极管、硅二极管、砷化镓二极管等
• 按管芯结构分类：面接触二极管和点接触二极管
• 按用途不同分类：整流二极管、检波二极管、稳压二极管、变容二极管、光电二极管、发光二极管、开关二极管、快速恢复二极管等
• 按结类型分类：半导体结型二极管和金属半导体结型二极管
  

不同二极管对比：

类型	应用场合	正向电压	反向电压	恢复时间
普通硅二极管	低频功率电子应用场合	0.7V	>500V	us
高速二极管	逻辑开关场合	0.7V	<100V	ns
肖特基二极管	快恢复场合	0.3V	<50V	ps
碳化硅二极管	高速，高电压场合	1.4V	<1kV	ns

3.3 二极管参数术语

• 额定正向工作电流IF
• 反向漏电流IR
• 导通压降VF
• 最大反向峰值电压VRM
• 最大直流反向电压VR
• 最大浪涌电流IFSM
• 最高工作频率FM
• 反向恢复时间Trr
• 最大耗散功率P

3.4 电源中二极管的基本应用

整流二极管：

需要考虑二极管的参数：

• 浪涌电流能力
• 正向电流/电压
• 反向电压

APFC二极管：

需要考虑二极管的参数：

• 浪涌电流能力
• 正向电流/电压
• 反向电压
• 反向恢复时间

吸收/钳位二极管：

需要考虑二极管的参数：

• 反向电压
• 反向恢复时间

输出整流二极管：

需要考虑二极管的参数：

• 反向电压
• 反向恢复时间
• 正向电流电压

4 MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)

4.1 MOSFET的种类

MOSFET依据其工作载流子的极性不同，可分为N沟道和P沟道，其中N沟道又包括耗尽型和增强型MOSFET，P沟道也包括耗尽型和增强型MOSFET，如图所示：

MOSFET等效模型，以N沟道为例，如图所示：

4.2 MOSFET参数术语和定义(最大静态参数)

• VDSS最大漏-源电压： 在栅源短接，漏-源额定电压(VDSS)是指漏-源未发生雪崩击穿前所能施加的最大电压。根据温度的不同，实际雪崩击穿电压可能低于额定VDSS
• VGS最大栅源电压： VGS额定电压是栅源两极间可以施加的最大电压。设定该额定电压的主要目的是防止电压过高导致的栅氧化层损伤。实际栅氧化层可承受的电压远高于额定电压，但是会随制造工艺的不同而改变，因此保持VGS在额定电压以内可以保证应用的可靠性
• ID连续漏电流： ID定义为芯片在最大额定结温TJ下，管表面温度在25℃或者更高温度下，可允许的最大连续直流电流
• IDM脉冲漏极电流： 该参数反映了器件可以处理的脉冲电流的高低，脉冲电流要远高于连续的直流电流
• PD容许沟道总功耗： 标定了器件可以消散的最大功耗，可以表示为最大结温和管壳温度为25℃时热阻的函数
• EAS单脉冲雪崩击穿能量： 如果电压过冲值(通常由于漏电流和杂散电感造成)未超过击穿电压，则器件不会发生雪崩击穿，因此也就不需要消散雪崩击穿的能力。雪崩击穿能量标定了器件可以容忍的瞬时过冲电压的安全值，其依赖于雪崩击穿需要消散的能量
• EAR重复雪崩能量
• IAR雪崩击穿电流

4.3 MOSFET参数术语和定义(静态参数)

• V(BR)DSS漏-源击穿电压： 也称为BVDSS，指在特定的温度和栅源短接情况下，流过漏极电流达到一个特定值时的漏源电压。这种情况下的漏源电压为雪崩击穿电压
• VGS(th)，VGS(off)阈值电压： VGS(th)指加的栅源电压能使漏极开始有电流，VGS(off)是关断MOSFET时电流消失时的电压
• RDS(on)导通电阻： 在特定的漏电流、栅源电压和25℃的情况下测得的漏源电阻
• IDSS零栅压漏极电流： 指在当栅源电压为零时，在特定的漏源电压下的漏源之间泄露电流
• IGSS栅源漏电流： 在特定的栅源电压情况下流过栅极的漏电流

4.4 MOSFET参数术语和定义(动态参数)

• Ciss输入电容： 将漏源短接，用交流信号测得的栅极和源极之间的电容就是输入电容。Ciss是由栅漏电容Cgd和栅源电容Cgs并联而成，或者Ciss=Cgs+Cgd。当输入电容充电至阈值电压时，器件才能开启，放电至一定值时，器件才可以关断。因此驱动电路和Ciss对器件的开启和关断延时有着直接的影响
• Coss输出电容： 将栅源短接，用交流信号测得的漏极和源极之间的电容就是输出电容。Coss是由漏源电容Cds和栅漏电容Cgd并联而成，或者Coss=Cds+Cgd对于软开关的应用，Coss非常重要，因为它可能引起电路的谐振
• Crss反向传输电容： 在源极接地的情况下，测得的漏极和栅极之间的电容为反向传输电容。反向传输电容等同于栅漏电容。Cres=Cgd，反向传输电容也常叫做米勒电容，对于开关的上升和下降时间来说是其中一个重要的参数，影响关断延时时间。电容随着漏源电压的增加而减小，尤其是输出电容和反向传输电容
• Qgs，Qgd和Qg栅极电荷： 表征存储在端子间电容上的电荷，在开关的瞬间，电容上的电荷随电压的变化而变化，所以设计栅驱动电路时经常要考虑栅电荷的影响
• td(on)导通延时时间： 从当栅源电压上升到10%栅驱动电压时到漏电流升到规定电流的10%时所经历的时间
• td(off)关断延时时间： 从当栅源电压下降到90%栅驱动电压时到漏电流降至规定电流的90%时所经历的时间。这显示电流传输到负载之前所经历的延迟
• tr上升时间： 漏极电流从10%上升到90%所经历的时间
• tf下降时间： 漏极电流从90%下降到10%所经历的时间

4.5 电源中MOSFET的基本应用

基本应用如下图所示：

其中，反激开关管需考虑MOSFET的1、峰值电压，2、额定电流，3、Rdson，4、脉冲电流
APFC开关管需要考虑MOSFET的1、浪涌电流能力，2、正向电流/电压，3、反向电压，4、反向恢复时间
同步整流管需要考虑MOSFET的1、反向电压，2、反向恢复时间，3、Rdson，4、额定电流

5 电感

5.1 电源中电感的作用

SNPS(开关电源)在电源转换效率，应用范围上极具优势，占据市场主导地位。典型的Buck拓扑，电感主要用途：实现整流滤波，负载调节。以能量转换的观点来看，电感具有储存能量的作用。
电路观点： 电感值的大小决定输出纹波电流的大小
能量观点： 电感的储能大小决定其能使用的电源转换功率大小

5.2 电感的分类和结构

常见电感元件主要可分为，按磁路闭合程度分类：屏蔽型、非屏蔽型；按焊接方式分类：贴片封装、插件封装；按线圈结构分类：绕线电感、叠层电感

为了实现大的感知L，可以通过以下方式：

• 增加磁芯材料的磁导率
• 增加磁芯的有效截面积
• 增加线圈的绕制匝数
• 减少磁路长度

常见的磁芯结构有： 工字型；工字型+屏蔽；EE型
磁芯材料选择的主要参考标准： 磁导率；频率特性；温度范围

5.3 电源的选型

电源中电感的主要作用是整流，也就是对电流的变化进行限制；另外从能量观点看，电感是开关电源的主要储能元件，需要满足电源转换的功率要求。所以，电感的选型要由电源转换的电路来计算出电感值L，并满足额定电流、最大电流等。
依据电流变化进行限制，即伏秒原则计算电感，计算公式如下：

• Vcharging是每个开关周期T中对电感充电时，电感两端的电压；比如在Buck中就是Vin-Vout，在Boost中就是Vin
• tcharging是电感每周期充电的时间；比如在Buck中就是ton=Vout/(Vinfsw)，在Boost中就是ton稳态时ton=(Vout-Vin)/(Voutfsw)
• △I是纹波电流的大小，一般用纹波系数r表示：△I=rI；比如在Buck中就是△I=rIout，在Boost中就是△I=r*Iin

因此，电流连续模式的Buck转换电路需要的感值是：

电流连续模式的Boost转换电路需要的感值是：

感值L会随着通过电感的电流I增大而下降，所以需要计算电路中通过电感的电流的最大值和有效值；只有当电感元件的规格达到或者超过计算值才能保证电感值的稳定，而电感值的稳定也是保证电源正常工作的前提。针对不同电源拓扑，电流值的计算会在后续博客更新

6 变压器

6.1 变压器的基本知识

变压器的类型(按应用分类)：

变压器在开关电源线路中的功能：

• 电气隔离
• 功率分配：电压升降、电流分配，功率传递、转换

变压器的基本特性：

• 电压比：V1/V2=N1/N2=匝数比
• 电流比：I1/I2=V2/V1=/N2/N1
• 阻抗比：Z1/Z2=L1/L2=(N1/N2)*(N1/N2)
• 电感量：L=NNAL，磁芯开的气隙越大，AL值越小，越不容易饱和，电感量可控公差越小

变压器的等效电路如下：

变压器的组成：

• 主要物料：磁芯(Core)；骨架/绕线轴(Bobbin)；铜线(Wire)；胶纸(Tape)；挡墙胶纸/边位胶纸(Margin Tape)
• 还可能包括以下物料：外壳(Cover)；铁夹/框架(Frame)；套管(Tube)；铜箔(Copper Foil)
• 辅助物料：胶(Epoxy)；绝缘油/凡立水(Varnish)；锡(Solder)；油墨(Ink)

6.2 变压器的设计考量因素

计算磁芯尺寸，公式如下：

输出功率与开关频率的关系：

• 与拓扑结构有关
• 与开关频率有关，相同封装，频率越高，输出功率越大
• 与安规要求有关，Offline Flyback一般要考虑加强绝缘；DC/DC Flyback只考虑功能绝缘

计算变压器参数----电感，公式如下：

计算变压器参数----初级匝数，公式如下：

	反激	正激	推挽	半桥	全桥
工作象限	1	1	1,3	1,3	1,3
Don	≤0.5	可以大于0.5	<0.5	<0.5	<0.5
△B	≤250mT	≤250mT	≤200mT	≤200mT	≤200mT

计算变压器参数----次级匝数，根据电感电压伏秒平衡可以推算出不同拓扑的电压比，计算次级匝数

	反激	正激	推挽	半桥	全桥
电压比	Vo/Vi=n*D/(1-D)	Vo/Vi=n*D	Vo/Vi=n*2D	Vo/Vi=n*D	Vo/Vi=n*2D

计算变压器参数----漏感

漏感 是指初级绕组所产生的磁力线未耦合到次级绕组的泄露，减少泄露则可以达到降低漏感的目的，从而提高转换效率

减小漏感最有效的办法： 三明治绕法，但是要考虑可以量产性，变压器的骨架要有一个空脚作为过渡连接脚

变压器满足安规要考量的条件：

• 耐压
• 爬电距离
• 电气间隙

影响以上三个条件的因素：

• 绝缘等级(功能绝缘、基本绝缘、加强绝缘)
• 工作电压
• 污染等级
• 过电压等级
• 海拔高度

改善EMI方法：

• 接地
• 屏蔽
• 滤波
• 隔离
• 电路方面的改善

变压器设计考量EMI:

• 磁芯选择(尽量选屏蔽效果好的磁芯)
• 气隙开在中心柱，让绕线充当屏蔽
• 尽量避免飞线设计
• 绕线方法，尽量减少寄生电容，但还要考虑与漏感的平衡
• 将与开关管连接的pin脚埋在线圈里层
• 屏蔽(外屏蔽只改善辐射干扰；内屏蔽既可改善辐射又可改善传导干扰)

7 IGBT(绝缘栅双极型晶体管)

7.1 IGBT基本知识

IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)，绝缘栅双极型晶体管，是由BJT(双极型三极管)和MOS(绝缘栅型场效应管)组成的复合全控型电压驱动式功率半导体器件，兼有MOSFET的高输入阻抗和GTR的低导通压降两方面的优点。
GTR饱和压降低，载流密度大，但驱动电流较大；MOSFET驱动功率很小，开关速度快，但导通压降大，载流密度小。IGBT综合两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低。非常适合应用于直流电压为600V及以上的交流系统，如交流电机、变频器、开关电源、照明电路等领域。
以N沟道IGBT为例，等效电路、理想等效电路和电路符合如下：

7.2 IGBT参数术语和定义(静态参数)

• 集电极-发射极间电压(VCES)： 在门极-发射极之间处于短路状态时，集电极-发射极间能够施加的最大电压
• 门极-发射极间电压(VGES)： 在集电极-发射极间处于短路状态时，门极-发射极间能够施加的最大电压
• 集电极电流(IC)： 集电极的电极上容许的最大直流电流
• 最大集电极电流(ICRM)： 集电极的电极上容许的最大脉冲电流
• 正向导通电流(IF)： 集成二极管上容许的最大直流正向电流
• 最大正向导通电流(IFRM)： 集成二极管上容许的最大脉冲正向电流
• 短路电流(ISC)： IGBT短路时的电流
• 最大损耗(PTOT)： 每个IGBT所容许的最大功率损耗
• 结温(TJ)： 使元件能够连续性工作的最大芯片温度
• 正向峰值浪涌电流(IFSM)： 在不破坏元件的范围内所允许的一周期以上正弦半波的电流最大值
• 集电极-发射极间断路电流(ICES)： 门极-发射极间处于短路的状态时，在集电极-发射极外加指定的电压时，集电极-发射极间的漏电流
• 门极-发射极间的漏电流(IGES)： 集电极-发射极间处于短路状态时，在门极-发射极间外加指定的电压时，门极-发射极间的漏电流
• 门极-发射极间的阈值电压(VGE(th))： 处于指定的集电极-发射极间的电流和集电极-发射极间的电压之间的门极-发射极间的电压
• 集电极-发射极间的饱和电压(VCE(sat))： 在指定的门极-发射极间的电压下，额定集电极电流流过时的集电极-发射极间的电压值
• 输入电容(Cies)： 集电极-发射极间交流性短路状态下，门极-发射极间和集电极-发射极间外加指定电压时，门极-发射极间的电容
• 输出电容(Coes)： 门极-发射极间交流性短路状态下，门极-发射极间和集电极-发射极间外加指定电压时，集电极-发射极间的电容
• 反向输入电容(Cres)： 在发射极接地的情况下，门极-发射极外加指定电压时，集电极-门极间的电容
• 二极管正向电压(VF)： 在内置二极管中流过指定的正向电流时的正向电压

7.3 IGBT参数术语和定义(动态参数)

• 开通时间(tdon)： IGBT开通时，VGE上升到0V后，VCE下降到最大值的10%时为止的时间
• 上升时间(tr)： IGBT开通时，从集电极电流上升到最大值的10%开始，到VCE下降到最大值的10%为止的时间
• 关断时间(tdoff)： IGBT关断时，从VGE下降到最大值的90%开始，到集电极电流在下降电流的切线上下降到10%为止的时间
• 下降时间(tf)： IGBT关断时，集电极电流从最大值90%开始，在下降电流的切线上下降到10%为止的时间
• 反向恢复时间(trr)： 到内置二极管中的反向恢复电流消失为止所需要的时间
• 反向恢复电流(Irr)： 到内置二极管中正向电流断路时反向流动的电流的峰值
• 逆向偏压安全操作区(RBSOA)： 关断时在指定的条件下，能够使IGBT断路的电流与电压的区域
• 门极电阻(RG)： 门极串联电阻值

7.4 IGBT使用注意事项

过压(Vce>Vces / Vge>Vges)：

• 杂散电感
• 快速开关
• 静电放电

过热(Tjunction>150℃)：

• 短路
• 电流过高
• 开关频率过高
• 冷却不足
• 门极电压过低

IGBT自锁：

• 工作点超出RBSOA(反向偏压安全工作区)

希望本文对大家有帮助，上文若有不妥之处，欢迎指正

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