800V 관리: 볼루징 없는 크리페이지와 클리어런스 조절

전기차, 에너지 저장장치, 산업용 전력전자에서 800 V 아키텍처로의 전환은 효율성과 전류 감소라는 분명한 이점을 가져옵니다. 그러나 이러한 이점은 전기적 절연이라는 엄격한 제약과 충돌합니다. 800 V에서 요구되는 절연 거리 요구는 낮은 전압 설계에 비해 전원 보드의 입지를 쉽게 두 배 또는 세 배를 초과할 수 있습니다. 크기와 비용, 열 성능, 시장 가능성이 중요한 제품에게 이는 단순한 불편이 아니라 설계 위기입니다.

이동과 안전거리는 고전압 PCB 배치를 규제하는 비협상적 간격 규칙입니다. 안전 표준에 의해 필수적으로 요구되며, 두 거리 모두 전압이 상승함에 따라 커지고 동시에 충족되어야 합니다. 이 도전은 이론적이 아니라 현실적입니다. 800V 보드는 4mm 이상의 안전거리와 6mm 이상의 이동 경로를 요구할 수 있어, 직관적인 배치 관행으로는 거의 불가능할 만큼 공간을 과도하게 차지합니다.

해결책은 단일 방법이 아닙니다. 슬롯 가공을 통한 기계적 개입, 기판과 마스크 선택에서의 재료 과학, 콘포멀 코팅의 화학적 강화, 그리고 엄격한 배치 규율의 조합입니다. 각각의 방법은 간격 문제의 다른 차원에 대처합니다. 함께, 800V 설계가 안전 규정을 충족하면서도 상업적으로 불가능하지 않도록 합니다.

이동과 안전 거리: 두 실패, 두 방어

이동은 절연 재료 표면을 따라 측정되는 두 도전 간의 가장 짧은 경로로, 순수한 표면 현상입니다. PCB의 두 지점에 걸친 전압은 절연체를 따라 전도경로를 형성하려 시도하며, 일반적으로 솔더 마스크 또는 노출된 기판이 이에 해당됩니다. 오염, 습기 또는 손상으로 인해 표면에 막이 형성되면, 전류가 흐르기 시작하는 추적(tracking) 과정이 발생합니다. 이 전류는 재료를 탄화시키며, 점점 더 전도성 경로를 만들다가 완전한 파괴에 이르게 됩니다. 이동거리는 추적 방어를 의미합니다.

반면, 안전거리는 두 도전 간을 공기를 통해 측정하는 가장 짧은 경로로, 부피적 경로입니다. 공기는 훌륭한 절연체이지만, 한계는 있습니다. 전압이 공기 간극의 유전 강도를 초과하면, 공기가 이온화되어 전도성 플라즈마와 아크가 형성됩니다. 이 실패는 즉각적이고 치명적입니다. 안전거리 범위는 아크 방지의 핵심입니다.

설계는 하나를 만족시키고 다른 하나를 실패할 수 있습니다. 보드가 공기를 통한 충분한 안전거리를 갖추었더라도, 오염된 솔더 마스크가 전류가 더 쉽게 흐르는 경로를 제공할 경우 이동거리에서 실패할 수 있습니다. 반대로, 깨끗한 보드는 충분한 이동거리를 갖췄지만, 높은 부품이 직선 공기 경로를 막아 아크가 짧은 간극을 통해 발생하게 하여 실패할 수 있습니다. 두 규격 모두 별개로 설계되어야 합니다. 이 이중 요구는 800V에서 크기 문제의 핵심입니다, 두 거리 모두 크고, 크기 차이를 충족시켜야 하며, 각 차원마다 요구됩니다.

전압과 환경이 간격을 결정하는 방식

전압은 필요한 절연 거리를 결정하지만, 그 관계는 선형적이거나 단순하지 않습니다. 이는 IEC 60950-1, IEC 61010-1과 같은 안전 표준에 코드화되어 있으며, 이 표준은 작업 전압과 최소 간격 및 크리프레이지를 매핑하는 표를 제공합니다. 이 표들은 수십 년간의 결함 분석의 결과이며 인증된 제품에 대해 법적 구속력이 있습니다.

안전거리는 파셴의 법칙에 따라 지배되며, 이는 압력과 거리 기반의 가스 파괴 전압을 설명합니다. 표준 압력 하의 공기에 대한 파괴장치는 대략 밀리미터당 3kV 정도이지만, 이는 참고용입니다. 표준은 안전 계수와 일시적 전압 스파이크를 고려하여 여러 배의 정격 전압을 초과할 수 있습니다. Overvoltage Category II 하의 800V DC 시스템에서는, 기본 안전거리가 4mm 이상이 필요할 수 있습니다. 이 요구는 낮은 대기압이 공기의 유전 강도를 감소시키는 높은 고도에서 더욱 증가할 수 있습니다.

이동은 재료 열화에 대한 싸움입니다. 공기와 달리, 고체 절연체는 시간에 따라 전기장, 습기, 오염 노출 시 손상됩니다. 핵심 지표는 비교적 트래킹 인덱스(CTI)로, 볼트 단위로 측정되며, 트래킹 저항력을 나타냅니다. 재료는 그들의 CTI 값(I, II, IIIa, IIIb)에 따라 그룹화되며, 표준은 낮은 CTI 재료에 대해 더 긴 이동거리를 요구합니다.

표준 해독: CTI, 오염 및 과전압

기준은 설계자가 여러 요소에 따라 시스템을 분류하도록 요구합니다. 요구되는 절연 거리와 개방 거리는 작업 전압, 과전압 범주, 오염 정도, 재료 그룹의 교차점에서 산출됩니다.

오염 정도 작동 환경을 분류합니다. 1도는 밀봉되고 깨끗한 환경입니다. 2도는 가장 일반적이며, 정상 실내 조건에서 비전도성 먼지 또는 결로가 가끔 있는 경우를 가정합니다. 3도는 전도성 오염이나 지속적인 습기가 있는 산업 환경에 해당합니다. 높은 오염도는 더 큰 개방 거리를 요구합니다.

재료 그룹 절연 표면의 CTI를 분류합니다. 그룹 I (CTI ≥ 600 V)는 최고의 추적 저항을 제공하며, 그룹 IIIb (CTI 100-174 V)는 최악입니다. 표준 FR-4 솔더 마스크는 일반적으로 그룹 IIIa (175-250 V)에 속하며, 상당한 개방 거리를 요구합니다. 전도성 오염물질이 낮은 CTI 표면에 착지하면 누설 전류가 흐르고 소재를 가열하여 탄화됩니다. 이 탄화된 경로는 더 전도성이 되어 더 많은 전류를 흘리게 하며, 자기 강화 사이클에서 영구적인 트랙이 형성될 때까지 열화를 가속화합니다. 높은 CTI 재료는 초기 파괴에 저항합니다.

일반 실내 환경(과전압 범주 II, 오염도 2)에서 표준 솔더 마스크(Material Group IIIa)를 사용하는 800 V DC 설계의 경우, 기준은 6.4mm 이상을 명시할 수 있습니다. 이는 최소값으로, 목표가 아닙니다. 보수적인 설계는 20-30%의 마진을 더하여 요구되는 간격을 늘립니다.

800V에서 발생하는 폼 팩터 위기

800 V 시스템은 관대한 환경이 아닙니다. 일반 조건에서는, 엔지니어는 최소 4mm의 간격과 6.4mm의 개방 거리를 감당해야 합니다. 이는 콤팩트한 전력 전자 기기 세계에서는 엄청난 거리입니다. 각 6.4mm의 개방 거리가 요구되는 고전압 트레이스 10개만으로도 너비 64mm의 간격이 필요하며, 이는 트레이스 너비나 부품 배치 전에 계산된 것입니다.

100×100 mm 공간에 맞게 설계된 전력 모듈의 경우, 절반 이상의 공간을 비워 두는 것은 불가능하며, 복잡성이 증가하면 문제도 함께 커집니다. 3상 인버터에는 최소 6개의 고전압 네트가 있으며, 조합적 간격 요구사항은 기계적 또는 열적 한계를 초과하는 보드 크기를 강요할 수 있습니다.

제품은 부피로 제한된 전력 밀도만으로 경쟁합니다. 경쟁자의 두 배 크기인 보드는 더 큰 인클로저, 더 많은 냉각, 더 높은 재료 비용이 필요합니다. 따라서 전체 준수성을 유지하면서 설계를 가능한 작은 면적으로 압축하는 것이 도전 과제입니다. 이는 물리적 치수를 늘리지 않고 유효 거리를 확장하는 것을 의미합니다.

슬롯과 V-홈을 활용한 이동 연장

PCB에 슬롯을 가공함으로써, 엔지니어는 표면 전류가 장애물을 돌아 더 긴 경로를 이동하게 할 수 있습니다. 슬롯은 두 도체 간의 직선 거리를 바꾸지 않지만, 전류가 이동해야 하는 표면 거리를 극적으로 늘립니다. 개방 거리는 최단 표면 경로로 정의되므로, 잘 배치된 슬롯은 직선 경로를 제거합니다.

3mm 떨어진 두 패드를 고려하세요. 슬롯이 없으면 개방 거리는 3mm입니다. 그 사이에 3mm 깊이의 1mm 폭 슬롯을 라우팅하면, 개방 거리는 이제 슬롯의 한 벽을 따라 내려가서 바닥을 건너 다른 쪽으로 올라가는 경로로 강제됩니다. 새 경로의 길이는 대략 7mm입니다. 물리적 분리거리는 변하지 않지만, 유효 개방 거리는 두 배 이상 늘어납니다.

이 방법이 작동하려면, 슬롯은 표면 경로를 완전히 차단할 만큼 충분히 깊어야 하며, 솔더 마스크와 표면 구리층을 통과해야 합니다. 대부분의 제조업체에 실용적인 최소 슬롯 너비는 0.5mm입니다. 그러나 슬롯은 개방 거리만을 위한 솔루션으로, 조치하지 않거나, 높은 부품 본체가 슬롯을 통해 공기를 통한 더 짧은 경로를 생성하는 경우, 그 높이로 인해 간격이 줄어들 수 있습니다. 간격에 제한이 있다면, 이 방법은 이득을 보지 못합니다.

재료의 기초: 고-CTI 기판 선택하기

절연 재료 선택은 콤팩트한 고전압 설계의 기반입니다. 표준 FR-4 적층은 CTI가 100-175 V인 그룹 IIIb에 속하며, 최악의 범주입니다. 표준 솔더 마스크는 일반적으로 약간 나은 수준으로, 그룹 IIIa(175-250 V)에 속합니다. 이들은 대부분의 제작업체에서 사용하는 기본 재료로, 가장 긴 개방 거리를 요구합니다.

상위 CTI 재료로 전환하면 필요한 누설전류를 크게 줄일 수 있습니다. 3급b 표면에서 8 mm의 누설거리가 필요한 도체 쌍은 1급 표면(CTI ≥ 600 V)에서는 4 mm만 필요할 수 있습니다. 이는 공기 자체가 사실상 1급 절연체이기 때문입니다. 이로 인해 기회가 생깁니다: 슬롯이나 트레이스를 기판 가장자리로 경로화하여, 설계자는 낮은 CTI 표면 경로를 높은 CTI 공기 경로로 대체할 수 있으며, 종종 필요한 거리를 줄일 수 있습니다.

고 CTI 납땜마스크(400-600 V)와 적층재가 존재하지만, 이것들은 프리미엄 재료입니다. 설계자는 보드 크기를 줄이는 것과 제조 비용 증가 간의 균형을 고려해야 합니다. 보수적인 접근법은 우선 표준 3급a 재료로 설계하는 것입니다. 만약 레이아웃이 불가능하다면, 고 CTI 마스크로 업그레이드하는 것이 필수이며, 단순한 최적화가 아닙니다.

콘포멀 코팅: 화학적 해결책

물리적 거리를 다 쓴 경우, 남은 해결책은 화학적입니다: 콘포멀 코팅. 이 얇고 절연성 있는 폴리머 층은 조립된 PCB 위에 적용되어 표면 형상에 맞춰 집니다. 적절하게 도포된 코팅은 견고한 절연 장벽 역할을 하여, 표준에 부합하는 누설전압 및 간격 최소화를 가능하게 합니다. 높은 유전 강도를 가진 코팅은 요구되는 누설거리를 % 이상 줄일 수 있습니다.

그러나 표준은 엄격한 요구 사항을 부과합니다. 코팅은 전압과 환경에 적합하게 등급이 매겨져야 하며, 균일하게 바르고 공극이나 핀홀이 없어야 하며, 제품 수명 동안 안정성을 유지해야 합니다. 일반적인 재료로는 아크릴, 우레탄, 실리콘이 있으며, 증기 증착 파릴렌은 가장 우수하고 비용이 많이 드는 커버리지를 제공합니다.

위험은 불균일한 적용입니다. 공극, 핀홀 또는 얇은 부분은 트래킹이 시작될 수 있는 약한 점을 만듭니다. 이러한 이유로, 콘포멀 코팅에 의존하는 설계는 엄격한 공정 제어와 검사의 지원을 받아야 합니다. 코팅은 좋은 레이아웃의 대체가 아니며, 최적화를 가능하게 하는 보완책입니다.

레이아웃과 검증: 최종 규율

이러한 기술들은 엄격한 레이아웃 규율 없이는 의미가 없습니다. 고전압 설계는 간격 규칙이 처음부터 기본 제약 조건으로 취급되어야 함을 요구합니다.

이 규율은 열 관리에도 적용됩니다. 800 V 보드는 수십 암페어를 전달할 수 있으며, 그에 따른 저항성 열 발생은 넓은 트레이스, 종종 두꺼운 구리(2-4 oz)를 필요로 합니다. 20 A를 전달하는 트레이스는 온도 상승을 제어하기 위해 5-8 mm 너비가 필요할 수 있습니다. 이 너비는 토지를 차지하며, 간격 필요성과 직접 경쟁하게 됩니다. 고전류 트레이스 간의 간격은 전기적 절연과 열적 분리 두 가지 목적을 수행합니다.

EDA 소프트웨어의 설계 규칙 검사(DRC)는 고전압 네트워크 주변의 출입금지 구역을 강제하는 데 필수적입니다. 이러한 규칙들은 프로젝트의 특정 표준, 전압, 오염 정도, 재료 그룹을 기준으로 수동으로 구성해야 합니다. 중요한 점은, 대부분의 도구는 직선 견고 거리를 정확히 측정하지만, 슬롯 주위의 누설거리를 실제 표면 경로로 계산하지 못하는 경우가 많습니다. 이러한 중요한 경로는 수동으로 검증해야 합니다.

마지막으로 검증이 순환을 완료합니다. 이는 제조된 보드의 물리적 검사를 시작으로 슬롯이 깨끗하고 코팅이 균일한지 확인하는 것입니다. 가장 중요한 애플리케이션의 경우, 부분 방전(PD) 테스트는 더 높은 신뢰도를 제공합니다. PD 테스트는 높은 전압을 적용하고 민감한 검출기를 사용하여 국지적 전기 방전을 찾아내며, 이는 절연 실패의 전조입니다. PD 테스트를 통과한 설계는 견고한 안전 여유를 보여주어, 설계 위기를 검증된 신뢰성 있는 제품으로 전환합니다.