是什么因素驱动了对高压开关的需求？
尽管电动汽车 (EV) 行业相对较新，但其市场渗透率和销量已相当可观。此外，电气化也引发了关于个人和公共交通未来发展的讨论。据 Statista.com 数据显示：
• 预计到 2025 年，全球电动汽车市场规模将达到惊人的 7842 亿美元。
• 预计 2025 年至 2029 年间，该市场年均增长率将达到 6.01%，到 2029 年市场规模将达到 9904 亿美元。
• 预计到 2029 年，电动汽车销量将达到约 1736 万辆。
目前，汽车总线架构通常采用 400V 电压，但为了提高功率和/或降低电流，800V 总线系统正在被引入。一些汽车制造商正在考虑使用更高的电压，商用车和公共交通工具制造商也是如此。电压超过 1000V 的电池系统也在设计中。
其他新兴市场也在推动系统电压的提升。例如，太阳能发电等可再生能源装置在转换、传输和存储过程中需要具备处理高电压的能力。医疗领域越来越依赖高压诊断成像设备，例如CT扫描仪和X光机。此外，传统的高压应用，例如电缆绝缘、印刷电路板绝缘和半导体测试仪，也仍然需要高工作电压。
为什么是 500V？
系统被视为“高压”的临界点似乎有些随意。然而，设备制造商普遍认为至少要达到 400V。为什么是这个数字呢？事实上，工作电压为 250VAC（行业标准）的系统，其峰值电压可达 350V 左右。模块化开关产品的制造商通常要求所有超过 500V 的单元都必须配备硬件联锁功能，以确保安全运行。在这样的电压水平下，抑制电路是必不可少的，并且通常建议使用高压连接器。因此，将 500V 归类为“高压”似乎是合理的。
在电压范围的极端情况下，簧片继电器（我们稍后会详细介绍，它非常适合高压开关应用）可以提供高达 15kV 甚至更高电压的击穿电压，某些设计甚至可以达到更高。
高压应用模块化测试系统的优势
在深入探讨高压开关技术之前，值得回顾一下，为什么选择基于商用技术和标准的模块化平台有助于降低测试系统的成本、缩短开发时间，并交付能够精确满足特定应用需求的系统。此类系统还有助于缩短测试时间，因为硬件和软件可以完全集成和自动化，从而优化测试流程并支持多个测试并行运行。PXI
是一个基于 PXI 系统联盟 (PXISA) 开放架构的标准测试、测量和控制平台，由 60 多家供应商提供支持，这些供应商制造、销售和集成基于 PXI 的硬件和软件解决方案。由于众多供应商提供兼容的设备，系统设计人员可以根据应用需求从不同公司选择最合适的功能模块，而无需局限于使用单一供应商的产品。
使用标准化架构还可以减少为新兴产品和需求配置测试系统所需的时间。由于基于 PXI 的系统（包括硬件和软件）具有灵活性和可扩展性，模块化系统可以随着系统复杂性的增加而扩展。可根据需要添加模块化组件来增强功能或容量，从而最大限度地减少初始投资，同时由于测试需求增长时不会造成资源浪费，因此能够保障其价值。
更重要的是，测试工程师不再局限于使用单一供应商提供的预配置系统。此类解决方案通常无法满足所有系统需求，或者规模过大、过于复杂，超出所需容量并产生额外成本。相比之下，基于 PXI 标准的测试系统既灵活又简洁。
安全性、可靠性和可重复性。
回到高压这个话题，安全性、可靠性和可重复性是高压开关系统必须建立的三大基本支柱。让我们详细探讨一下这三点：
安全：
当电压可达千伏级时，安全至关重要。因此，高压开关产品应包含功能完善的硬件联锁装置，以隔离其前面板输出，确保所有继电器均处于停用状态。例如，门开关上的硬件联锁装置可用于在测试系统机柜门打开时禁用继电器。堆叠式电路板有多种配置方式：多块电路板可以互连，其中一块电路板负责管理硬件中断线路；也可以单独安装。通常，这会涉及机柜门上的一个开关：如果机柜门打开，即使施加 5kV 电压，电路板也以安全模式运行。同样，当机柜门打开，操作人员无法触及任何带电部件时，电路板切换到工作模式，系统即可正常运行。
高压的存在也意味着寄生元件、干扰和尖峰电压的危害更大，可能造成安全性和可靠性问题。因此，应包含抑制电路。我们将在下一节中进一步讨论这一点。
当然，所有为高压环境设计的设备都必须符合国际标准，例如高压开关设备必须符合 IEC 62271-200 标准。
可靠性。
高压开关系统的可靠性取决于元件的质量和选择。开关本身是最重要的考虑因素；它通常是继电器。虽然继电器种类繁多，但簧片继电器具有诸多优势，使其成为高压应用的理想选择。
在机电继电器 (EMR) 中，触点暴露在外。这意味着灰尘和其他颗粒会污染触点表面，从而对其性能产生负面影响。相比之下，簧片继电器采用密封式开关，其触点在真空环境中工作。因此，触点更不容易老化，性能始终更高。此外，其感应距离可以比开放式 EMR 设备短得多。而且，由于触点处于密封真空环境中，高压下发生的电离不会影响簧片开关的性能。
图 2. 机电继电器。.
图 2b：高压簧片继电器
高压簧片继电器的开关速度为0.5-1毫秒，远快于开关速度为3毫秒的电磁继电器（EMR继电器）。此外，簧片继电器除了微小的换向簧片外，没有其他运动部件，因此机械磨损极低。如果使用得当并在规定的参数范围内，簧片继电器的使用寿命可超过10亿次（具体取决于负载）。相比之下，电磁继电器的使用寿命仅约为1000万次。
当然，高压应用领域有很多种簧片继电器；一般来说，电压越高，器件尺寸越大。击穿电压（直流或交流峰值）为1500V的簧片继电器可以非常紧凑，例如尺寸仅为12.5 x 3.7 x 6.6毫米。用于这些电压等级的高品质簧片继电器采用粉末钌触点，即使在低电流水平下也能提供出色的性能。簧片继电器的击穿电压最高可达15kV。这些大型器件采用钨涂层触点，能够承受高功率开关产生的热量。
多种因素会影响继电器的性能和寿命。为了获得最佳效果，冷开关（即在不施加电压的情况下激活继电器触点）始终是首选。当必须进行热开关时，必须确保开关处的电压和电流乘积不超过继电器的最大额定开关功率。热开关会降低继电器的寿命并降低其击穿电压，因为涂层劣化时会产生电弧。因此，开关模块的数据手册规定，
在热开关时，工作电压应降低40-50%。
即使未对继电器触点施加电压，开关过程也可能并非“冷开关”。高压继电器失效的主要原因是电路中的电容未得到正确评估。
图 3. 开关中的瞬态电容及电路图。.
我们来看一下图 3。如果电路中存在电容，当存在高电压时，电容值会发生变化。如果电容位于开关中且没有限流负载，则在开关闭合时，电容会瞬间通过开关放电。许多高压应用都使用电容器来存储电压。即使是充电电压相对较低的电容器，在开关闭合时也会产生数十安培的瞬态电流，这可能会严重损坏继电器触点。因此，必须考虑电路中电容的特性，并采取放电保护措施。Pickering 的《簧片继电器简明技术指南》对此问题进行了详细讨论。
制造商会根据一定的性能等级对继电器进行分类，但尤其对于电压高于 10kV 的元件，不建议在极限工况下运行。新设备的性能符合规格，但随着使用寿命的延长，尤其是在热切换的情况下，触点之间会发生电弧放电和金属转移。这会导致触点上积聚金属，从而减小触点间隙，进而影响击穿电压。如果运行规范中允许至少 10% 的裕量，继电器在其使用寿命内将可靠运行。
簧片继电器在高压应用中的另一个优势是其高绝缘电阻和极低的漏电流，漏电流通常在纳安级，比固态继电器 (SSR) 的漏电流低几个数量级。SSR 的高漏电流会导致难以测量毫安级的电流值。
连接器是评估高压开关产品时需要特别注意的另一个关键组件。额定电压高达 1000V 的 D 型高压连接器很容易获得且价格低廉。但是，对于超过 1000V 的应用，必须使用特殊的高压连接器，例如 Redel 提供的连接器。与人们通常的想象相反，这些 Redel 连接器比 D 型连接器更小，尽管它们可以在更高的电压下工作，并且它们在连接器内部使用塑料绝缘层和漆层，以提供必要的绝缘性能来承受极高的电压。
图 4. Pickering PXI 9kV 开关模块
图 4b：对应的 Redel 高压连接器（右）。.
提高模块化开关板可靠性并最大限度减少尖峰、瞬态、过电流和过电压影响的另一个重要因素是采用浪涌抑制技术。对于高电压，可以采用两种类型的抑制电路：一种用于保护线圈，如果继电器足够大，则可以将其集成在继电器外壳内；另一种是安装在 LXI/PXI 板上的附加抑制装置，用于保护继电器触点免受尖峰电压的损坏。.
可重复性：
最佳实践有助于确保测试结果的准确性和可重复性。例如，必须确保负载尽可能纯电阻，不包含有害的电容或电感元件。电容和电感都会损坏继电器触点上的涂层，并降低其性能直至失效。因此，必须避免浪涌、线路产生的电感和存储电容，因为即使电路板电源断开，这些因素也可能导致热切换。
此外，还必须避免软件错误。自动信号路由软件可以帮助管理开关系统中信号的时序和路由，并考虑放电时间，从而防止难以检测的顺序错误和潜在的有害信号连接。
当然，还有其他技术可以提高测量性能。使用分压器将电压降低到可控水平是业界的常用做法，信号调理方法也可以应用于更复杂的系统。
摘要：
由于电动汽车 (EV) 的普及，以及可再生能源系统、新一代医疗设备以及半导体、印刷电路板和电缆测试等传统高压应用领域的需求呈指数级增长，深入了解影响高压开关的各种因素变得至关重要。安全始终是重中之重，测试系统供应商通常会在其产品中加入硬件联锁功能。可靠性通过使用最合适的高质量组件和标准设计流程来保证。可重复性则通过遵循测试编程的最佳实践来实现。击穿电压是簧片继电器开关技术在高压应用中的一项显著优势。如果可以避免，很少有应用会使用高压开关；即使需要使用，也会使用较低的电压以延长开关的使用寿命。高击穿电压和低接触电阻使得簧片开关在以电流传输为主要功能的应用中越来越受欢迎，尤其是在电流脉冲应用中。使用更高的电压可以更容易地产生不受电路电阻变化影响的电流，并产生更纯净的脉冲，即更好的脉冲形状。
