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电子工程世界|技术文章—高压大电流电路的配电所面临的挑战

天线、雷达、测距仪、卫星、车辆、舰船、其他航空和国防应用 ， 以及270VDC飞机电源系统里面都有高压/大电流电路 ， 这给电源管理带来了独特的挑战 。 因此 ， 如何设计出能够在较小的空间内更有效地处理高功率的解决方案可谓至关重要 。 电动汽车、充电站、电池系统以及太阳能和风能应用的配电也是这种情况 。
本文说明了高级继电器和接触器如何应对严苛的配电需求 ， 因此可以简化设计人员的工作；此外 ， 本文还介绍了一种工具 ， 方便对各种接触器和继电器功能做出选择 。
配电技术有着各种各样的类型 。 许多露天开关设计只能承受几百伏的电压 。 但是 ， 小型、轻巧、密封的设备若采用具有良好介电性能的气体或真空 ， 则其开关电压可以高达70千伏（kV） 。
就接触器而言 ， 触点尺寸和压力增加 ， 再加上采用特殊合金材料 ， 那么可以实现高达1000安的大电流管理 。 将内置霍尔效应电流传感器集成于接触器 ， 还可以将这些设备变成“智能”电流感应版本 。
【电子工程世界|技术文章—高压大电流电路的配电所面临的挑战】
电子工程世界|技术文章—高压大电流电路的配电所面临的挑战
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高压（1,000VDC）KILOVACK1K接触器的额定连续电流为1000安
什么时候考虑真空开关
常规开关会产生电弧 ， 因此几乎不可能断开千伏电路 。 当电压较高时 ， 填充于开路触点之间的空气会迅速电离成为导电路径 。 因此 ， 尽管触点断开 ， 但电离气体仍可维持电路——这个问题在通用继电器中并不普遍 。
真空如何最大程度地减少飞弧问题
有一个解决方案可以解决飞弧问题 ， 那便是去除接触区域的可电离气体 。 因此 ， 高压开关精心设计的目的就是为了在真空中正常工作 。 举例来说 ， 在10–6毫米汞柱的真空中 ， 介电强度可达2000伏/密耳 。
真空电介质还为高压触点提供了一个惰性的环境 。 真空实际上消除了氧化和腐蚀的可能性 。 当真空中出现电弧时 ， 不会发生空气或电介质气体的分解 ， 因此也就不会产生腐蚀性的副产品 。
射频应用
良好的绝缘性能和较低而稳定的接触电阻 ， 是能够在射频（RF）开关中使用高压真空继电器的两大原因 。 然而 ， 任何继电器在射频应用中都应注意电流和电压的限制 。 “趋肤效应”将会产生影响 ， 也就是说随着频率的增加 ， 电流将从导体的中心向表面迁移 。 频率越高则导电路径的趋肤深度越小 ， 迫使更多的电流通过更小的导体截面 。 这会导致导体表面局部受热升温 ， 而高温有可能损坏继电器的密封性 。
电子工程世界|技术文章—高压大电流电路的配电所面临的挑战
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KILOVACK81A高压继电器能够耐受290°C（554°F）的高温长达500小时
当继电器用作绝缘体时 ， 开路触点之间和/或触点与地面之间将会存在射频电压 。 在所有的实际应用中 ， 继电器都有一个1-2皮法的高压电容 。 流经该电容的泄漏电流会加热绝缘体的损耗元件 ， 进而限制可以应用的射频电压 。
电流和电压的限制使得射频应用有必要降低电流和电压规格 ， 同时其工作频率也要控制在32MHz以下 。 选择特定的继电器时 ， 这些限制因素均应予以考虑 。
什么时候考虑绝缘开关
并非所有的高压继电器/接触器都是真空型的 。 拥有良好介电性能的惰性气体也可用于高压组件和系统 。 这种解决方案十分灵活 ， 因为我们可以通过改变气体的混合比例和/或压力来控制受压外壳中的击穿电压 。 气体加压灭弧是它的另一个优点 ， 因为通常在数微秒时间内就可以完成灭弧 。
充气式开关设备可用于高压电源开关 ， 其功能是关闭常开触点 。 这种方案有一个优点：气体的混合比例和压力可以事先设定 ， 以便在触点接触之前就产生电弧 。 此外 ， 如果电路电压高于3500伏 ， 那么即使因触点弹跳而使电路断开 ， 电弧也仍然保持稳定 ， 足以维持电流 。 如电容性放电电路所示 ， 这种现象有助于延长充气继电器的使用寿命 。


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