Controle las sutilezas de los componentes pasivos de alto voltaje

Si bien muchos ingenieros se centran en los sistemas de bajo voltaje con rieles de un solo dígito, una fracción cada vez más visible y vital del esfuerzo de diseño se enfoca ahora en el mundo del alto voltaje. Desde luego, siempre se han utilizado voltajes más altos, ya que son necesarios para suministrar eficazmente las aplicaciones de alto consumo. Sin embargo, ahora que se presta mucha atención a los vehículos eléctricos (VE) de diversos tipos, la energía renovable y los sistemas de almacenamiento de energía asociados, y la eficiencia energética en general, han aumentado la necesidad de rieles eléctricos y componentes que operen a cientos de voltios o más.

Aunque muchos de estos diseños de alto voltaje pueden parecer similares a sus contrapartes de bajo voltaje en los diagramas esquemáticos, existe una gran diferencia entre construir un subsistema de batería recargable que proporcione unos pocos voltios y vatios frente a, por ejemplo, el paquete de energía de un VE que funcione de 600 a 800 voltios, mediante el suministro de kilovatios y el almacenamiento de megajulios. No solo los componentes activos, como los MOSFET, deben clasificarse para estos voltajes más altos, sino que los componentes pasivos asociados (resistencias, capacitores, contactos, conectores y otros) también deben clasificarse adecuadamente.

En resumen: ya no dominan las modestas pautas básicas para los circuitos de bajo voltaje. Por el contrario, estamos en un mundo implacable de arcos, chispas, roturas de aislamiento, desgaste por contacto y deterioro de materiales. Los errores en la elección de materiales, la selección de componentes y la colocación física son costosos y, a menudo, peligrosos, mientras que los rediseños y las reelaboraciones, por menores que parezcan a primera vista, consumen mucho tiempo, son frustrantes y están sujetos a una revisión profunda del diseño.

Las implicaciones de los diseños de alto voltaje

¿Qué significa esto en la práctica? Primero, hay muchos estándares que definen el aislamiento y otros requisitos para el mundo de alto voltaje, y estos se vuelven cada vez más estrictos y desafiantes a medida que el voltaje alcanza los cientos e incluso los miles de voltios. Algunos de estos estándares son promulgados por organizaciones reguladoras vinculadas al Gobierno, mientras que otros son establecidos por asociaciones industriales, y algunos son definidos por las buenas prácticas en el campo de la ingeniería.

Uno de los requisitos más tangibles está relacionado con el espacio libre mínimo y la distancia eléctrica. Estos entran en vigor cuando el voltaje de funcionamiento es superior a 30 voltios de CA o 60 voltios de CC, ya que los voltajes por encima de estos niveles se consideran potencialmente peligrosos. El espacio libre es la distancia más corta a través del aire entre dos conductores, mientras que la distancia eléctrica mide la distancia más corta a lo largo de la superficie del material aislante (Figura 1).

Figura 1: Las consideraciones para los diseños de alto voltaje comienzan con el espacio libre, la distancia más corta a través del aire entre dos conductores, y la distancia eléctrica, que es la distancia más corta a lo largo de la superficie del material aislante. (Fuente de la imagen: Altium Limited)

Los requisitos de diseño de la placa de circuito impreso (placa de CI) para las dimensiones mínimas del espacio libre y la distancia eléctrica varían según los materiales, el voltaje y las condiciones ambientales. Los estándares IEC 60601 e IPC 2221 son las pautas principales para definir el espacio entre conductores en diferentes voltajes y escenarios, pero hay muchos más que son específicos de las aplicaciones. Además de esos requisitos básicos, existen materiales que definen estándares, como los tipos de aislamiento y el espesor. Aquí también hay algunas sutilezas, como la diferencia entre las clasificaciones “con certificación UL” y “reconocido por UL” (consulte el contenido relacionado).

Los componentes también difieren radicalmente

Incluso si un diseño cumple con todos los estándares normativos físicos, incluidas la distancia eléctrica y el espacio libre adecuados para la clasificación de alto voltaje del diseño, hay mucho más trabajo por hacer para crear una lista de materiales (BOM) adecuada. Una resistencia que funcionará y sobrevivirá en funcionamiento a cientos de voltios es muy diferente cuando se la compara con una utilizada en una modesta y pequeña región de 10 a 20 voltios. Cada aspecto de su diseño, la selección de materiales, el proceso de producción y el empaque en general es único.

Por ejemplo, la serie Vishay Dale TNPV de resistencias de alto voltaje de película delgada calificadas para automóviles (AEC-Q200), como la TNPV1206330KBYEA de 330 kiloohmios (kΩ), está diseñada para funcionar a 1000 voltios. Como están destinadas principalmente para la medición precisa de altos voltajes, su sofisticada combinación de materiales, fabricación y corte por láser establece especificaciones bastante estrictas. Entre estas se encuentran un coeficiente de bajo voltaje por debajo de 1 parte por millón por voltio (ppm/V), una tolerancia de hasta ±0.1 % y un coeficiente de temperatura de resistencia (TCR) tan bajo como ±10 ppm/⁰C (Figura 2).

Figura 2: Las resistencias de la serie TNPV utilizan una combinación de materiales, diseño y fabricación especializados para lograr las tolerancias y el funcionamiento de alto voltaje requeridos. (Fuente de la imagen: Vishay Dale)

Vishay señala que el corte fino ayuda a reducir los gradientes de voltaje a lo largo de los segmentos del elemento resistivo, lo que mejora la estabilidad en altos voltajes. Esta combinación de diseño y construcción avanzados garantiza la estabilidad y la precisión de la aplicación en lo que, de otro modo, sería un resistor de chip de aspecto normal alojado en un paquete estándar 3216 (métrico).

Es una situación similar con los capacitores. Considere el FHC16I0307K, un capacitor de película de 300 microfaradios (µF) de la serie FHC de Kyocera AVX, que protege los semiconductores de potencia en vehículos eléctricos e híbridos. Lo logra al proporcionar filtros de CC y evitar que las corrientes de ondulación vuelvan a la fuente de alimentación y al suavizar las variaciones de voltaje de bus de CC.

Al cumplir con los estándares AEC-Q200 e IEC 61071-1/IEC 61071-2 (para capacitores electrónicos de potencia), el FHC16I0307K está especialmente tratado para tener una rigidez dieléctrica muy alta en condiciones de funcionamiento de hasta 115 °C y se aloja en una carcasa rectangular de plástico metalizado relleno de resina que mide 237 × 72 × 50 milímetros (Figura 3). Si bien los capacitores de filtro de 300 µF de bajo voltaje son muy comunes, estos están clasificados para funcionar a 450 voltios de CC. Utilizan una estructura de polipropileno metalizado, segmentado y enrollado en seco (sin relleno de aceite) que cuenta con un proceso de autorreparación controlado.

Figura 3: Los capacitores de entrada FHC16I0307K están diseñados para el uso automotriz. Están clasificados para 450 voltios de CC, utilizan una estructura de polipropileno metalizado y están alojados en una carcasa de plástico metalizado. (Fuente de la imagen: Kyocera AVX)

Además, una característica única de la tecnología de las estructuras metalizadas y segmentadas es cómo actúa el capacitor al final de su vida útil. A diferencia de los capacitores electrolíticos, que presentan un modo de falla en caso de cortocircuito, estos capacitores de película solo experimentan una pérdida paramétrica de la capacidad eléctrica, sin un modo de falla catastrófica. Por el contrario, el capacitor pierde capacidad eléctrica de manera gradual y fácil a lo largo de su vida útil, para finalmente convertirse en un circuito abierto.

Conclusión

Si bien los esquemas pueden parecer similares a los de los circuitos de bajo voltaje, los diseñadores involucrados en los sistemas de alto voltaje, en cientos de voltios o más, deben saber muy bien que se enfrentan a una serie de desafíos interesantes con respecto a las regulaciones, así como el diseño, los materiales estructurales, la selección de componentes y la lista final de materiales. Como se muestra, cuando se trata de seleccionar los componentes activos y pasivos adecuados, los diseñadores deben prestar mucha atención a las hojas de datos, las definiciones de los proveedores y los parámetros de los componentes. También podría sugerir tener una conversación con el proveedor sobre los detalles de su diseño, solo para estar seguro.

Contenido relacionado

Triad Magnetics, “Con certificación UL vs. Reconocido por UL: ¿cuál es la diferencia?”

https://info.triadmagnetics.com/blog/ul-listed-vs-ul-recognized

Vishay Intertechnology, “Una descripción general de las resistencias de alto voltaje de Vishay Dale”

https://www.vishay.com/docs/49601/_high_voltage_resistors_vmn-sg2087-1612.pdf

Vishay Intertechnology, “Descripción general de las resistencias de alto voltaje de película delgada”

https://www.vishay.com/docs/48637/_tnpv_ppt_product_overview_nov2018.pdf