【導讀】天線(xiàn)、雷達、測距儀、衛星、車(chē)輛、艦船、其他航空和國防應用，以及270 VDC飛機電源系統里面都有高壓/大電流電路，這給電源管理帶來(lái)了獨特的挑戰。因此，如何設計出能夠在較小的空間內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(chē)、充電站、電池系統以及太陽(yáng)能和風(fēng)能應用的配電也是這種情況。
天線(xiàn)、雷達、測距儀、衛星、車(chē)輛、艦船、其他航空和國防應用，以及270 VDC飛機電源系統里面都有高壓/大電流電路，這給電源管理帶來(lái)了獨特的挑戰。因此，如何設計出能夠在較小的空間內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(chē)、充電站、電池系統以及太陽(yáng)能和風(fēng)能應用的配電也是這種情況。
本文說(shuō)明了高級繼電器和接觸器如何應對嚴苛的配電需求，因此可以簡(jiǎn)化設計人員的工作；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(zhù)各種各樣的類(lèi)型。許多露天開(kāi)關(guān)設計只能承受幾百伏的電壓。但是，小型、輕巧、密封的設備若采用具有良好介電性能的氣體或真空，則其開(kāi)關(guān)電壓可以高達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)現高達1000安的大電流管理。將內置霍爾效應電流傳感器集成于接觸器，還可以將這些設備變成“智能”電流感應版本。
高壓（1,000 VDC）KILOVAC K1K接觸器的額定連續電流為1000安
什么時(shí)候考慮真空開(kāi)關(guān)
常規開(kāi)關(guān)會(huì )產(chǎn)生電弧，因此幾乎不可能斷開(kāi)千伏電路。當電壓較高時(shí)，填充于開(kāi)路觸點(diǎn)之間的空氣會(huì )迅速電離成為導電路徑。因此，盡管觸點(diǎn)斷開(kāi)，但電離氣體仍可維持電路——這個(gè)問(wèn)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(wèn)題
有一個(gè)解決方案可以解決飛弧問(wèn)題，那便是去除接觸區域的可電離氣體。因此，高壓開(kāi)關(guān)精心設計的目的就是為了在真空中正常工作。舉例來(lái)說(shuō)，在10–6毫米汞柱的真空中，介電強度可達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。當真空中出現電弧時(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。
射頻應用
良好的絕緣性能和較低而穩定的接觸電阻，是能夠在射頻（RF）開(kāi)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用中都應注意電流和電壓的限制。“趨膚效應”將會(huì )產(chǎn)生影響，也就是說(shuō)隨著(zhù)頻率的增加，電流將從導體的中心向表面遷移。頻率越高則導電路徑的趨膚深度越小，迫使更多的電流通過(guò)更小的導體截面。這會(huì )導致導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(cháng)達500小時(shí)
當繼電器用作絕緣體時(shí)，開(kāi)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)而限制可以應用的射頻電壓。
電流和電壓的限制使得射頻應用有必要降低電流和電壓規格，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)，這些限制因素均應予以考慮。
什么時(shí)候考慮絕緣開(kāi)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。這種解決方案十分靈活，因為我們可以通過(guò)改變氣體的混合比例和/或壓力來(lái)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)，因為通常在數微秒時(shí)間內就可以完成滅弧。
充氣式開(kāi)關(guān)設備可用于高壓電源開(kāi)關(guān)，其功能是關(guān)閉常開(kāi)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(kāi)，電弧也仍然保持穩定，足以維持電流。如電容性放電電路所示，這種現象有助于延長(cháng)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載開(kāi)關(guān)
常規繼電器的接觸電阻不斷發(fā)生著(zhù)變化，而真空繼電器的接觸電阻保持恒定且數值較低，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，是因為真空繼電器統一使用清潔部件，沒(méi)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)現安全的開(kāi)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定。此外，其接觸電阻還會(huì )隨著(zhù)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定性，并降低其接觸電阻。
電源開(kāi)關(guān)的通斷和中繼負載因素
術(shù)語(yǔ)“電源開(kāi)關(guān)”和“熱開(kāi)關(guān)”是指通過(guò)激活繼電器來(lái)斷開(kāi)或接通電源。對繼電器進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作時(shí)，觸點(diǎn)在閉合的瞬間和隨后的彈跳過(guò)程中都會(huì )產(chǎn)生電弧。電弧會(huì )引起觸點(diǎn)腐蝕，若不采取一定的預防措施，則電弧有可能導致觸點(diǎn)熔結，至少會(huì )導致相當程度的觸點(diǎn)損壞。因此，電弧的持續時(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(kāi)關(guān)繼電器的觸點(diǎn)通常使用鎢或鉬制成，因為這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”應用。
選擇適當的繼電器時(shí)，電路負載的類(lèi)型是一個(gè)重要的考慮因素。電路負載一般分為電容性負載、電感性負載和電阻性負載。
電阻性負載——直流電阻性負載斷開(kāi)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，交流負載比直流負載更容易斷開(kāi)，因為交流電流每半個(gè)周期就會(huì )自行斷開(kāi)一次。極性轉換可防止金屬一直朝著(zhù)同一個(gè)方向移動(dòng)，這種情況通常會(huì )導致直流負載較早發(fā)生觸點(diǎn)故障。
電感性負載——斷開(kāi)直流電感性負載比斷開(kāi)電阻性負載更難。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(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(lái)斷開(kāi)電感性負載，那么電弧的持續時(shí)間將直接取決于負載的時(shí)間常數（L/R，其中R代表電阻，單位歐姆）。交流電感性負載不會(huì )出現這個(gè)問(wèn)題，因為每半個(gè)周期結束時(shí)會(huì )發(fā)生極性反轉，迫使電流過(guò)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。類(lèi)似情況在交流電路中則不常見(jiàn)。要想得到最佳的效果，繼電器必須置于負載的接地端；否則，觸點(diǎn)與殼體之間會(huì )出現大電流電弧，繞過(guò)負載。電源是對浪涌電流的唯一限制。
在實(shí)際應用中通常同時(shí)存在這三種負載，但是，具有大電容性負載或大電感性負載的電路由于儲有能量，因此比較難以進(jìn)行開(kāi)關(guān)操作。更為復雜的是，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(kāi)極高的電流，那么就會(huì )出現強電弧致使觸點(diǎn)金屬熔化，最終導致觸點(diǎn)熔結。正弦交流電會(huì )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載電壓下的等效直流電大41%。
拓展思路以應對新的挑戰
如今，許多應用需要在更小的空間內更有效地利用更高的功率。例如，與傳統的115/200V系統相比，270V直流系統可靠性更高、維護更方便、重量更輕且使用壽命更長(cháng)。這種發(fā)展也要求對電源管理技術(shù)進(jìn)行更為細致的選擇。
設計者應當充分考慮電路條件，以及繼電器的電氣、機械和環(huán)境因素。此外，設計者還應權衡繼電器的各種工作特性，并清楚繼電器術(shù)語(yǔ)是一種具有特殊含義的專(zhuān)業(yè)語(yǔ)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(gè)復雜的課題，本文探討的開(kāi)關(guān)技術(shù)的其他方面也莫不如此。為簡(jiǎn)化設計人員的工作，TE提供了一個(gè)“虛擬開(kāi)發(fā)人員工具包”，其中涵蓋了高壓接觸器、高壓繼電器、電線(xiàn)電纜和連接器。通過(guò)該工具包的便捷在線(xiàn)菜單，我們可以快速訪(fǎng)問(wèn)產(chǎn)品功能和優(yōu)勢、圖紙、3D PDF和規格。該工具為設計人員提供了寶貴的見(jiàn)解，幫助他們精心選擇開(kāi)關(guān)技術(shù)來(lái)應對如今嚴苛的配電需求。
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