高压点火模块的冷却和爬电协同设计

高压点火模块的冷却和爬电协同设计

抽象

点火模块需要在同一个狭小的空间内隔离千伏级电压节点并散发热量，而这两项要求却只能在有限的几毫米空间内实现。本文将探讨热量的实际来源、储能电容器的自发热量、10 kV电压下所需的爬电距离，以及端子处的现场分级如何弥补因高温和灰尘堆积而损失的裕量。

1. 引言

高压点火模块必须在不断缩小的外壳内保持千伏级节点之间的距离，并散发自身产生的热量。爬电需要表面距离，冷却需要气流和传导路径，而这两者都占用着同样有限的几毫米空间。

未经热测试和现场测试联合设计的模块，往往会出现上述两种故障，甚至两者兼而有之。例如，连续切割一小时后，模块温度会达到 80°C，在 25°C 下计算的爬电裕度在高温表面上不再适用，并且首次闪络现象出现在通过所有台架测试的表面上。

诊断之所以出错，是因为这两种故障模式看起来像是元件故障。模块升温后出现的失火被归咎于电容器，闪络被归咎于劣质批次，而真正的原因却在于布局设计，即高温元件位于爬电路径上。

以下数字来自一个 10 kV 模块，该模块具有一个 4700 pF 的储能槽，每秒点火 20 次，充电阶段以 75% 的效率提供 4.7 W 的功率，高压表面有 25 毫米的爬电距离，机柜环境温度为 45 °C。

2. 核心机制

2.1 热量来自哪里

该模块的损耗分为两部分：每次脉冲时储液罐的介电损耗，以及为其充电的充电阶段的损耗：

P_loss = N · E_ign · tanδ + P_charge

其中，P_loss = 总损耗，N = 点火率，E_ign = 每次点火储存的能量，tanδ = 储罐损耗因子，P_charge = 充电阶段损耗。每次点火的能量来自储罐：

E_ign = ½ · C · V²

其中 C 为储能电容，V 为充电电压。在 10 kV 电压下，4700 pF 的储能电容可储存 235 mJ 的能量，因此每秒 20 次点火可使 4.7 W 的功率通过充电阶段。该阶段以 75% 的效率消耗其中的 1.6 W，而储能电容自身的损耗（损耗因子为 0.1%）为 4.7 mW。使用损耗因子为 2% 的普通介质材料，其损耗可达 94 mW，仍然比转换器的损耗小 17 倍。

2.2 热路径引起的温度升高

每个损耗源都有其自身的环境损耗路径，而这些损耗路径会叠加起来：

ΔT = ∑ P_i · R_th_i

其中，ΔT 表示高于环境温度的温升，P_i 表示热源 i 的损耗，R_th_i 表示该热源到环境的热阻。功率为 1.6 W、升温速率为 15 °C/W 的转换器使模块温度比 45 °C 的机柜空气温度高出 24 °C，而功率为 4.7 mW、升温速率为 20 °C/W 的储能箱自身温度则为 0.09 °C。因此，储能箱的温度取决于其周围空气的温度，在转换器附近约为 70 °C。

用于防止爬电的绝缘层也位于同一路径上，并且会增加串联热阻：

R_th_total = R_th_spread + R_th_insulation + R_th_convection

其中，R_th_spread 表示模块内部的热扩散阻力，R_th_insulation 表示元件与框架之间所有灌封层、阻隔层和套管的热阻，R_th_convection 表示表面对空气的热阻。增加 3 毫米爬电距离的灌封层也会增加相当于 2 至 4 °C/W 的温升，这就是为什么热问题和场强问题无法在布局中分开解决的原因。

2.3 爬电和材料组

表格中要求的爬电距离取决于电压、污染程度和材料的耐电痕性，在商业范围内呈线性插值：

d_c = d_1 + k · (V − 1 kV)

其中，d_c 为所需爬电距离，d_1 为 1 kV 电压下所需的距离，k 为每千伏电压的爬电距离斜率（单位：毫米），V 为工作电压。对于污染等级 3，当 k = 1.9 毫米/千伏电压时，CTI 值高于 600 的材料在 1 kV 电压下需要 8 毫米爬电距离，在 10 kV 电压下需要 25 毫米爬电距离；而 CTI 值介于 400 和 600 之间的材料在相同电压下需要 32 毫米爬电距离。这 7 毫米的差异是高等级材料在热设计中节省的空间。

2.4 终端处的场增强

沿蠕变路径的平均场强与地表所感受到的场强不同，因为终止点会使场强集中：

E_peak = β · V / d_c

其中，E_peak 为峰值场强，β 为场强增强因子，V 为工作电压，d_c 为爬电距离。在 10 kV 电压下，25 mm 电极的平均场强为 0.40 kV/mm。使用 β = 2.5 的尖头螺钉可将峰值场强提升至 1.0 kV/mm，这相当于标准条件下空气击穿强度 3 kV/mm 的三分之一。将电极倒圆并加装屏蔽环后，β 值变为 1.2，峰值场强提升至 0.48 kV/mm。

图 1 — 模块的热量来自 1.6 W 转换器，因此布局工作在于减少爬电距离，使 CTI 大于 600，并对终端进行分级。

3. 工程痛点

痛点一：高温表面保持的电压较低

模块损耗会导致承载爬电电压的表面升温，而升温后的表面更容易积聚灰尘和湿气，从而在较低电压下发生闪络。在 25°C 下计算出的裕量在 75°C 时就已消失殆尽，这就是为什么故障通常发生在切割班次开始一小时后，而不是在通电时。

痛点二：隔热材料容易积聚热量

灌封、隔板和套管会同时增加爬电距离和热阻。元件与机箱之间每增加 3 毫米厚的灌封层，就会增加相当于 2 至 4 °C/W 的热量，因此，通过包裹发热元件来解决现场问题的布局，实际上会使发热元件的温度比机箱内空气温度高出 20 至 40 °C。

痛点3：冷却空气将灰尘带到错误的地方

气流流过高压表面时，会在表面沉积导电粉尘，同时导致表面冷却不均匀。空气过滤可以解决粉尘问题，但会增加压降，增加维护成本，并使风扇运行温度更高。

痛点 4：尖锐末端处的磁场集中

螺丝头、接线端子边缘和焊锡尖刺会将电场集中 2 到 3 倍，因此表面电场强度可达 1.0 kV/mm，而沿爬电路径的平均电场强度仅为 0.40 kV/mm。在高温多尘的机柜中，闪络正是从这个边缘开始的，而基于表格的爬电计算方法无法将其考虑在内。

4. 设计步骤

策略一：从源头减少热量产生

将损耗从转换器中转移出去，因为在这些能量下，转换器承担了模块99.7%的功耗。采用软开关的谐振充电级比电阻式或硬开关式充电级发热量更低，而且在0.1%介电常数下，储能槽自身的4.7 mW功耗不会造成热问题。

策略二：使用高CTI绝缘材料

选择 CTI 值高于 600 的材料，这样在 10 kV 电压和 3 级污染条件下，爬电距离要求将从 32 mm 降至 25 mm。这 7 mm 的差值直接用于热传导路径，无论是作为气流还是作为导热截面。请保留图纸上的材料组，因为使用替代材料会导致布局恢复到更宽的爬电距离，而无需更改图纸。

策略三：对终止条件进行评分

将导体末端打磨成圆角，加装屏蔽环，并在高应力区域应用导电梯度，使增强系数从 2.5 降至 1.2。使用扁平 厚膜电阻 以隔板与爬坡面相交处的坡度元件为主体，并在布局冻结前用电晕相机确认改进情况。

策略四：引导热量绕过隔热层

将热量通过金属芯路径和导热过孔传递到外壳边缘，并保持高压表面低温。将散热片元件放置在爬电空间之外，以免沾染其本应避免的污染物，并使用高密度材料。 N4700 当周围空气变暖时，其损耗率保持在 0.1%。

策略五：利用过滤后的定向气流进行通风

直接冷却开关和充电级，并避免气流吹到爬电表面上。呼吸膜可平衡机柜压力，且不会引入灰尘，其维护成本也低于需要定期清洗的过滤器。

策略 6：通过热测试和现场测试相结合的方式进行验证

在 40°C 的环境温度下，以最大负载运行模块 8 小时，同时记录爬电表面温度和局部放电情况。要求爬电表面温度在整个运行过程中保持在绝缘等级的降额点以下，且放电温度保持在 5 pC 以下。在 25°C 和低负载下进行的台架测试无法验证上述任何一项要求。

组件参数	典型值	测试条件
额定电压（HVCT8G系列）	10 kV DC	高压1.5倍，持续60秒
电容量	4700 pF ±20% (472M)	1 MHz，1 V rms
水箱自加热	每秒点火 20 次时，功率为 4.7 毫瓦。	tanδ 0.1%，每次点火235 mJ
耗散系数	低于0.1％	1 MHz，1 V rms
10 kV 下的爬电	25 毫米，CTI 高于 600	污染等级 3
终端处的场增强	在1.2之下	圆形屏蔽端
局部放电	低于 5 摄氏度	环境温度 40 °C，满负荷运行 8 小时
温度范围	−40 °C 至 +125 °C	IEC 60068-2系列
灌封的热阻	每3毫米层2至4°C/W	增加了防潮层

5. 用于热协同和场协同设计的HVC电容器

毫瓦级储能器将冷却工作交给真正需要冷却的部件。HVC公司在东莞拥有一座6,000平方米的自有工厂，生产1kV至100kV的低损耗陶瓷电容器，其端子采用圆形屏蔽设计。

这里需要考虑的六个参数

• 发热量极低。散热系数低于 0.1%，使得储能器在每秒 20 次点火的情况下功耗仅为 4.7 mW，因此模块的热负荷集中在转换器上，布局允许的范围内。
• 损耗不会随温度升高而增加。N4700 介质在机柜升温时能保持其损耗因子平稳，从而打破了导致高温模块温度进一步升高的回路。
• 现场优化的端子。采用圆角屏蔽端子的螺钉端子和径向本体，可将增强因子保持在 1.2 左右，这正是爬电计算所假设的增强因子范围。
• 小巧的体积即可实现较高的电压裕度。额定电压范围从 1 kV 到 100 kV，放电电流低于 5 pC，因此可以根据分级场确定爬电距离，而不是根据最坏情况的表格行。
• 耐热循环性能优异。陶瓷化壳体和密封结构能够承受切割作业中日常的反复加热和冷却，不会出现分层或密封开裂。
• 经严苛模块验证。40 kV / 441 系列 门把手电容 在热设计和现场设计相结合的模块现场服务项目中，已用国产零部件替换了进口的一线零部件。 交叉参照 该表格将导入的数字映射到 HVC 等效值。

交付和支持

标准件发货周期为 4 至 8 周，配套模块组发货周期为 6 至 10 周。HVC 应用工程团队提供损耗核算、爬电布局、端接等级评定以及热放电联合验证等服务。请提供工作电压、点火速率、外壳环境温度、爬电路径和安装图纸。HVC 将在五个工作日内返回包含局部放电数据、热测量结果和现场评定报告的选型表。

6. 常见问题

问题1：储能电容器实际会产生多少热量？

每秒点火 20 次，每次点火能量为 235 毫焦耳，损耗因子为 0.1% 的储能罐会耗散 4.7 毫瓦的功率，相当于每瓦温度降低 0.09 摄氏度（20 °C/瓦）。损耗因子为 2% 的介质的耗散功率为 94 毫瓦，仍然很小。充电阶段消耗 1.6 瓦的功率来补充储能罐，这就是冷却系统需要处理的功率。

Q2：10 kV 需要多少爬电距离？

在污染等级 3 的情况下，CTI 值高于 600 的材料需要 25 毫米的厚度，而 CTI 值在 400 到 600 之间的材料需要 32 毫米的厚度。这 7 毫米的差异是值得考虑的：它转化为气流或导流截面，除了图纸上的材料标注外，无需任何额外成本。

Q3：为什么模块在运行一小时后而不是在启动时发生故障？

因为承载爬电电压的表面会随着模块温度升高而升温。在 75°C 时，该表面更容易积聚灰尘和湿气，并且比 25°C 时更难承受电压，因此表格计算出的裕量会被模块自身的热量消耗掉。建议在 40°C 的环境温度下测试 8 小时。

Q4：尖锐的终端会使磁场强度提高多少？

在10 kV电压下，25 mm 厚度范围内的平均电场强度为 0.40 kV/mm。使用增强系数为 2.5 的尖头螺钉可将峰值电场强度提升至 1.0 kV/mm，这相当于空气击穿强度 3 kV/mm 的三分之一。将电极倒圆并加装屏蔽层后，增强系数变为 1.2，峰值电场强度提升至 0.48 kV/mm。

Q5：盆栽对植物有益还是有害？

它兼具这两种功能。灌封可以增加爬电距离和机械支撑，但元件与框架之间每3毫米的距离会增加2至4°C/W的散热量。对高压节点进行灌封以进行场控，并通过金属路径将热量散发出去，这样灌封层就不会成为散热到环境的唯一途径。

Q6：哪种电容器适合用于发热、紧凑的模块？

一种损耗因子低于 0.1%、温度系数为 ±30 ppm/°C、放电电流低于 5 pC 且端部呈圆形的玻璃化陶瓷。将其与……进行比较 薄膜电容器 在选择零件之前，应考虑单位体积的自发热量，因为运行温度较低的零件需要的爬电体积较小。

7。 参考

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9. MKP金属化薄膜脉冲电容器——产品亮点KEMET Electronics，https://www.digikey.com/en/product-highlight/k/kemet/mkp-metallized-film-pulse-capacitors。
10. 使用陶瓷电容器 3 kV （C0G/NP0 与 X7R/Y5S 稳定性讨论），复古技术论坛，https://forum.retrotechnique.org/t/utilisation-des-condensateurs-ceramiques-3kv/115858。
11. HVC应用工程团队 高压陶瓷电容器 技术资源https://www.hv-caps.com