電力電子課程之電纜、電線和PCB

在深入電力電子領域之前，我們將在電力電子課程的第二部分討論一個關鍵主題。電纜、電線、PCB和板用于識別能量傳輸系統，這些系統始終需要正確計算和確定尺寸。

設計人員必須從支撐和布線系統開始創建自己的電路。使用強大的電源組件構建的解決方案，但連接結構和電線的結構很差，很快就會失效。[電力電子課程：簡介 – 第 1 集]

介紹

如前一集所述，電流是或多或少的大量電子的流動。由于導體對通道的阻力，它們通過連接和電纜的通道不可避免地會產生熱效應。這種效應是由于電子和導體晶格原子之間在微觀尺度上的碰撞，稱為焦耳效應。通常，隨著溫度的變化，材料的電阻會發生變化。因此，在導體變得非常熱的情況下，耗散功率的估計可能難以計算。如果導體的熱膨脹不做機械功，則所提供的能量在導體上轉化為熱量并分散到周圍環境中。調整電流支持的過程對于避免導體本身的熔化至關重要。因此，設計人員必須通過仔細選擇電導體材料并正確分析 PCB 尺寸來開始設計過程。事實上，正確的軌道尺寸、導線截面和組件的戰略位置是良好電源電路成功的首要因素。導體材料的選擇也是效率因素的決定性因素，在任何情況下，這些因素都會影響電路封裝參數、重量，尤其是最終成本。事實上，正確的軌道尺寸、導線截面和組件的戰略位置是良好電源電路成功的首要因素。導體材料的選擇也是效率因素的決定性因素，在任何情況下，這些因素都會影響電路封裝參數、重量，尤其是最終成本。事實上，正確的軌道尺寸、導線截面和組件的戰略位置是良好電源電路成功的首要因素。導體材料的選擇也是效率因素的決定性因素，在任何情況下，這些因素都會影響電路封裝參數、重量，尤其是最終成本。

電線電纜

因此，電力系統中電纜部分的尺寸是第一步。電導體的尺寸(截面和直徑)與線路中可以承載的最大電流之間存在非常密切的關系。有幾個表格和數學公式將這兩個參數聯系起來，每個設計人員都應始終參考它們，即使對于低功耗項目也是如此。電線的長度是降低其性能的另一個因素。它實際上與電纜的電阻成正比，連接時間越長，兩端的電壓降越大。使用歐姆定律，可以計算任何參數。歐姆第二定律基于電阻率并指出導體的電阻 R 與其長度成正比，與其截面成反比。基本上，設計師應該牢記三個公式：

在哪里：

R：電阻;

ρ：材料的電阻率;

L：導體長度;

S：導體截面積;

問：熱;

P：功率;

t：時間;

I：電流;

ΔT：溫度升高;

c：比熱;

m：導體的質量。

導體的電阻率可以定義為它為電流通過提供的電阻。電阻率的倒數是電導率，所有涉及的參數也一如既往地取決于溫度。導體的電阻還取決于所用材料的電阻率。雖然它們是電流的優良導體，但不同的金屬讓電子以不同的方式和數量通過。材料的電導率和電阻率包含在一個非常廣泛的數值范圍內，從良導體到絕緣體，有24個數量級。下表按從最高導電到最低導電的順序排列，顯示了一些材料的電阻率：

設計人員經常選擇截面稍大的導體，以確保可用功率完好無損地到達另一端，并且不會在其中不必要地消散。銅是制造電導體最常用的材料之一，這要歸功于其非常有利的導電性、可焊性、機械強度、延展性和延展性。鋁也是一種廣泛使用的金屬，盡管它的電阻率比銅大，在相同的電阻下，鋁導體的截面比銅導體高 65%。它的延展性也很強，但延展性不是很好。之前說過，如果導體通過電流 I 并在其截面內均勻分布，它會以熱量的形式耗散以下功率(以瓦特表示)：

流過導體的電流越大，熱量越大。可以通過導體的最大電流是“范圍”。電纜的容量是可以通過電導體而不損壞它的電流量。一般規則建議電纜每50米增加一節。如果超過此參數，導體可能會經歷過度加熱過程甚至熔化。導體溫度由以下因素決定：

它的電阻;

流過它的電流的平方;

環境溫度。

當然，如果電纜是絕緣的，還必須考慮其他標準。橫截面為 0.5 mm ^ 2 和 0.75 mm ^ 2 的電纜由于太細而被禁止用于 230 V 連接。它們只能用于低壓設備，例如防盜報警系統、家庭報警器或連接對講機和視頻對講機。圖 1中所示的表格及其相關圖表非常具有指示性，并顯示了導體可以承受的最大電流。顯然，對于認證和政府法律，有必要查閱最適合各種情況的表格，同時考慮各個國家的規定。

圖 1：不同尺寸的銅電線允許的最大電流。

使用這些參數，可以采用使相對計算更容易和更簡單的方程：

更好的是，使用更強大的“產量密度模型/指數加線性”模型：

在哪里：

a = 38.00320788304612

b = -40.25848017691337

c = 1.745093760925298

r = 0.8549366506676881

在進行電線測量時，通常使用后綴 AWG。它代表“美國線規”，是一種標準化系統，于 1857 年設計，用于測量圓形導體的橫截面或直徑。它在美國和加拿大很普遍。較大的 AWG 值對應于較小的線徑。有特殊的表格可以將電纜的截面和直徑轉換為 AWG，反之亦然。

電力電子中的 PCB

通常，設計人員只關注電源組件和最大化使用能量的最佳技術。但是他們忘記了研究最好的 PCB 解決方案及其相關的最佳電子元件布置。最近，項目已經基于采用能夠承受大工作功率的高度集成的組件。高電流和電壓的管理需要非常復雜的技術挑戰。印刷電路板是熱量必須通過的第一個障礙，它們需要以最佳方式進行設計。設計人員必須考慮各個方面，例如，軌道的最佳位置、最佳間距，最重要的是，它們在以最佳方式運行的同時承受高電流的能力。第一個基本規則涉及以初步的方式突出顯示，最大功率路徑以及將填充它們的功率組件。事實上，軌道會受到高溫的影響，并且由于銅的高導電性和導熱性，高溫很容易侵入電路的所有區域。為了使走線的計算和分析復雜化，還有其他參數，例如 PCB 使用的材料、設計周圍的環境溫度、板上組件的密度以及使用的冷卻技術. 元器件的定位也決定了大功率電路的成敗。在特別關鍵的熱條件下工作的那些必須均勻分布在電路上以改善熱管理。設計師必須特別注意軌道的路徑。必須考慮與電流和溫度升高相關的斜坡的最小寬度。如果可能的話，與技術上可能的最小寬度相比，稍微增加軌道的寬度總是更好。走線的計算不僅涉及其寬度，還涉及銅的厚度。具有較大銅厚度的集管允許在相同條件下減小它們的寬度。下表(見圖表具有較大銅厚度的集管允許在相同條件下減小它們的寬度。下表(見圖表具有較大銅厚度的集管允許在相同條件下減小它們的寬度。下表(見圖表圖 2)顯示了印刷電路走線的最小寬度，知道必須通過它的電流。同一張表是指銅厚為 35 微米的 PCB，最大期望溫升為 10°C。