< img src="https://mc.yandex.ru/watch/96881261" style="位置:絶対; 左:-9999px;" alt="" />
2024年5月9日

高電圧 PCB 設計における設計上の考慮事項と材料の選択

導入

産業機械から家庭用機器まであらゆるものに電力を供給する現代の電子機器の基礎である高電圧 PCB の電化の世界へようこそ。低電圧 PCB よりもはるかに高い電気エネルギーを処理できるように設計された高電圧 PCB は、電力と効率が最も重要となるアプリケーションで不可欠です。

再生可能エネルギー設備や電気自動車などの高電圧 PCB は、大量の電力分配を必要とするシステムの電力供給に不可欠です。高電圧 PCB により、デバイスが効率的に動作し、必要な電力レベルを安全かつ効果的に処理できるようになります。

高電圧 PCB についてさらに詳しく調べる中で、これらの強力なボードを構成する高度な材料と、あらゆるアプリケーションで安全かつ効率的に動作することを保証する最先端の設計戦略について探っていきます。高電圧 PCB 設計を定義する複雑さと革新を明らかにしていきます。

高電圧 PCB の理解

高電圧PCBの理解

高電圧 PCB の定義は何ですか?

高電圧 PCB は、標準 PCB よりも大幅に高い電圧を扱う特殊な回路基板です。通常、PCB は 500 ボルト以上で動作する場合高電圧と見なされますが、このしきい値はアプリケーションや業界標準によって異なる場合があります。 

これらのボードは、パフォーマンスの低下や安全上の危険なしに高電圧を安全に伝導および管理するために、特定の材料と設計手法を使用して設計されています。

電圧閾値

PCB を高電圧と分類する正確な電圧しきい値は、多くの場合、その PCB が使用される業界の特定の要件と安全規制によって異なります。たとえば、民生用電子機器では、電圧は 600 ~ 1000 ボルトの範囲ですが、産業用アプリケーションでは、2000 ボルトを超える電圧を扱う PCB を高電圧と見なす場合があります。これらのしきい値は単なる数字ではありません。安全性と機能性を確保するために、PCB の材料構成と構造設計に大幅な変更が必要になります。

代表的なアプリケーション

高電圧 PCB は、高出力と高電圧伝送が不可欠なさまざまなアプリケーションで重要です。これには次のものが含まれます。

  • 電源システム: 発電所や再生可能エネルギーシステムにおける高電圧の変換と管理に使用されます。
  • 医療機器: 動作に高電圧を必要とする X 線装置や CAT スキャナーなどのデバイスに不可欠です。
  • 自動車用途: 電気自動車では、特に高電圧を扱う電力変換器やバッテリー管理システムに使用されます。
  • 産業機械: 強力なエネルギーソリューションを必要とする製造業や加工業の高出力機器に使用されます。

デザインにおける精度の重要性

高電圧 PCB の設計には、細心の注意が必要です。回路パスのレイアウトからコンポーネントの配置まで、PCB 設計のあらゆる側面を計算して、安全性と効率性を最適化する必要があります。高電圧環境でよく発生するリスクであるアーク放電を防ぐには、適切な間隔と絶縁が不可欠です。 

さらに、高電圧によって大量の熱が発生する可能性があり、適切に管理しないとシステム障害や安全上の問題につながる可能性があるため、設計者は熱管理をより厳密に考慮する必要があります。

高電圧 PCB の材料選択

高電圧PCBの材料選択

適切な基板の選択

適切な基板材料を選択することは、高電圧 PCB 設計の成功にとって非常に重要です。材料は高電圧に耐え、熱負荷を管理し、構造的完全性を提供する必要があります。FR4、ポリイミド、PTFE などの重要な材料は、高電圧環境で明確な利点と課題を提供するため、人気のある選択肢です。

主な基板材料

  • FR4: これは PCB 製造で最も一般的に使用される基板であり、優れた機械的特性と十分な耐熱性で知られています。ただし、FR4 の誘電強度は、特に高電圧が関係する高電圧アプリケーションでは制限要因となる可能性があります。
  • ポリイミド: ポリイミドは優れた熱安定性で知られており、発熱が著しい用途に適しています。優れた誘電強度により、熱破壊が懸念される高電圧環境に最適です。
  • PTFE(テフロン): PTFE は、その優れた電気絶縁特性により、高電圧または高周波 PCB でよく使用されます。誘電率が低く、誘電強度が高いため、信号損失を最小限に抑える必要があるアプリケーションに最適です。

材料特性の分析

  • 絶縁強度: これは高電圧 PCB 材料にとって重要な特性であり、高電圧ストレス下での電気破壊に抵抗する能力を決定します。絶縁強度が高い材料は、PCB 表面での電圧アークを防ぐ能力が高くなります。
  • 熱抵抗: 高電圧コンポーネントは多くの場合、かなりの熱を発生するため、基板はこの熱に耐え、効果的に放散する必要があります。動作条件下で PCB が変形、溶解、または故障するのを防ぐために、熱抵抗は非常に重要です。
  • 機械的安定性: 高電圧環境は物理的に過酷な場合があります。基板材料は機械的ストレスや熱サイクル下でも構造的完全性を維持し、PCB の長期的な信頼性を確保する必要があります。
高電圧 PCB の設計上の考慮事項

高電圧PCBの設計上の考慮事項

重要な設計パラメータ

高電圧アプリケーション用の PCB を設計するには、さまざまな重要なパラメータに細心の注意を払う必要があります。これには、トレース間隔、沿面距離、クリアランス距離、レイヤー スタックアップ、厚さ、ビア設計が含まれます。これらの各要素は、高電圧条件下での PCB の安全性と機能性を確保する上で重要な役割を果たします。

トレース間隔、沿面距離、クリアランス

  • トレース間隔: 隣接する回路トレース間の距離は、電気アークや短絡を防ぐために十分なものでなければなりません。高電圧 PCB では、増加した電圧レベルに対応するために、標準 PCB に比べてトレース間隔を広くする必要があります。
  • 沿面距離とクリアランス: 沿面距離とは、絶縁材の表面を横切る 2 つの導電部品間の最短経路を指し、クリアランスとは、2 つの導電部品間の空気を介した最短距離を指します。どちらの距離もアーク障害の防止に重要であり、高電圧 PCB 設計では最大化する必要があります。動作電圧に基づいてこれらの距離を決定するには、IPC (Institute for Printed Circuits) によって設定されたものなどの業界標準とガイドラインに準拠することが重要です。

層の積み重ねと厚さ

  • レイヤースタックアップ: PCB 内の銅層と絶縁材の配置は戦略的に計画する必要があります。高電圧 PCB では、グランド プレーンの数を増やすと、高電圧回路間の電気的絶縁を強化するのに効果的です。これにより、潜在的な放電をより効果的に消散させることができます。
  • 厚さ: PCB の全体の厚さは、高電圧に耐える能力に影響を与える可能性があります。層間の絶縁材を厚くすると、誘電強度が向上し、PCB を介した電圧破壊のリスクが軽減されます。

ビアデザイン

  • ビアデザイン: ビアは、PCB の異なる層を接続するために使用されます。高電圧 PCB では、ビアが電気的障害の原因にならないように、ビアの設計に特別な配慮が必要です。ビアは、電流を処理してアーク放電を防ぐために、堅牢にメッキされ、適切なサイズにする必要があります。間隔と絶縁の要件を効果的に管理するには、テント型ビアまたはビアインパッド設計の使用が必要になる場合があります。
高電圧 PCB の熱管理

高電圧 PCB の熱管理

高電圧設計における熱管理

高電圧 PCB では、高電流と高電圧によって大量の熱が発生するため、効果的な熱管理が重要です。これらの PCB が効率的に熱を放散できることを保証することは、パフォーマンスを維持し、コンポーネントの障害を防ぎ、安全性を確保する上で非常に重要です。

熱管理の重要性

高電圧動作では、エネルギー変換の増加と回路の潜在的な非効率性により、本質的に多くの熱が発生します。この熱が適切に管理されない場合、温度上昇につながり、電子部品の性能が低下したり、絶縁材料の劣化が加速したり、過熱や火災などの安全上のリスクが生じる可能性があります。効率的な熱管理により、最適な動作温度が維持され、PCB とそのコンポーネントの寿命が延びます。

熱放散を改善するための戦略

  • 強化された PCB レイアウト: 熱分布を最適化するように PCB レイアウトを設計することは基本です。これには、PCB 全体の熱負荷を均衡させるために熱を発生するコンポーネントを戦略的に配置することが含まれます。
  • サーマルビアの使用: サーマルビアを実装すると、最上層から下層またはヒートシンクに熱を効果的に伝達できます。 PCB のこれらの銅メッキの穴は、高温のコンポーネントから熱を伝導し、より効率的に放散するのに役立ちます。
  • ヒートシンクの組み込み: ヒートシンクを高電圧コンポーネントまたは熱が蓄積する PCB 領域に直接取り付けると、放熱性が大幅に向上します。ヒートシンクは、環境に熱を伝達する表面積を増やし、コンポーネントを効果的に冷却します。

材料選択が熱性能に与える影響

基板と導電性材料の選択は、高電圧 PCB の熱管理機能に大きな影響を与えます。

  • 材料の熱伝導率: 特定の種類の金属コア PCB や高度なセラミックベースの基板など、熱伝導率の高い材料は、FR4 などの標準的な材料よりも効率的に熱を放散できます。
  • 熱膨張係数: 同様の熱膨張係数を持つ材料を選択すると、温度変化による機械的ストレスや潜在的な損傷のリスクが軽減されます。これは、温度変動が頻繁に発生する高電圧アプリケーションでは特に重要です。
信頼性と安全性の確保

信頼性と安全性の確保

コンプライアンスとテスト

高電圧 PCB の信頼性と安全性を確保するには、慎重な設計と材料の選択だけでなく、業界標準への厳格な準拠と徹底したテストも必要です。 

これらの規格とテストを遵守することは、電気火災、コンポーネントの故障、システムの故障など、高電圧操作に関連するリスクを軽減するために不可欠です。

標準とコンプライアンス要件の概要

高電圧 PCB には、設計、製造、性能を規定するさまざまな規格が適用されます。

  • IPC 標準: プリント回路研究所 (IPC) は、設計や材料の選択から完成品の検査まですべてを網羅したガイドラインを提供しています。IPC-2221B などの IPC 規格では、高電圧 PCB のクリアランス、沿面距離、材料特性に関する具体的なガイドラインが提供されています。
  • UL認証: Underwriters Laboratories (UL) は、さまざまなアプリケーションで使用される PCB の安全性を評価する認証を提供しています。UL 認証は、高電圧 PCB の通常状態および故障状態における厳しい安全基準をボードが満たしていることを保証します。UL 796 は、可燃性や電気的耐久性などの特性を評価するプリント配線基板の標準です。

運用および安全基準を確保するためのテスト手順

テストは PCB 開発プロセスの重要な要素であり、特に障害の影響が重大な高電圧アプリケーションでは重要です。

  • 電気テスト: これには、回路に短絡や断線がないこと、および絶縁が高電圧に耐えられることを確認するための導通チェックと絶縁抵抗テストが含まれます。
  • 高電位(Hi-Pot)テスト: Hi-Pot テストでは、導電部品と接地間、または異なる導電部品間に高電圧を印加して、絶縁が破壊されず、PCB が最大動作電圧を安全に処理できることを確認します。
  • 熱テスト: 高電圧 PCB は著しく加熱される傾向があるため、熱テストにより、ボードとそのコンポーネントが予想されるすべての温度で確実に動作し、放熱メカニズムが効果的であることを確認します。
  • 環境試験: これには、PCB をさまざまな環境条件 (湿度、温度サイクル、振動など) にさらして、実際の使用時に遭遇する特定の条件下での安定性と機能性を確保することが含まれます。

結論

高電圧 PCB の設計と製造は、テクノロジーと安全性の重要な交差点であり、綿密な設計上の考慮と戦略的な材料選択の重要性が強調されます。

このガイドでは、適切な基板の選択から包括的なコンプライアンスと厳格なテストの確保まで、高電圧 PCB の多面的な側面を検討しました。

これは、高電圧 PCB プロジェクトに関する専門家のアドバイスやパートナーシップを求めている人向けです。

お気軽にお問い合わせください。当社のチームは、これらの複雑な要件に対応し、プロジェクトを成功に導き、革新と安全性の新たな基準を確立するお手伝いをするための専門知識とリソースを備えています。 

によって書かれた記事 アリス・リー

PCB/PCBA/OEM が必要ですか?
今すぐ無料見積もりを入手してください!

jaJapanese