- 关于《电气间隙与爬电距离的全面解析与设计指南》的解析
导语：在高压设备的设计与制造过程中，确保电气安全和系统可靠性是至关重要的。其中，爬电距离(Creepage, CPG）和电气间隙（Clearance, CLR）是两个核心参数，它们直接关系到设备的绝缘性能和安全性。今天将深入探讨这两个关键概念，为工程师提供实用的指南和标准，以帮助我们更好地理解和应用这些参数。
内容比较多，涵盖：CPG和CLR的定义、绝缘等级、高压应用场景、爬电距离与电气间隙、材料组与比较追踪指数（CTI）、污染程度与瞬态过电压类别、绝缘参数与标准、绝缘等级指南与示例、确定爬电距离与电气间隙的流程图、高压PCB间距标准与指南，我们会分为上、下部分展开。
目录
上篇：基础篇
01 基础概念与绝缘等级
1.1 爬电距离（CPG）与电气间隙（CLR）定义
1.2 绝缘等级分类与特点
02 高压应用场景
2.1 电动汽车的应用
2.2 其他领域的应用
2.3 为什么要考虑绝缘等级？
2.4 如何考虑设备的绝缘等级呢？
03 爬电距离与电气间隙
3.1 爬电距离 · 影响因素、测量、计算
3.2 电气间隙 · 影响因素、测量、计算
3.3 材料组定义与CTI关系
3.4 污染等级分类、描述与示例
3.5 瞬态过电压类别定义、描述与示例
3.6 绝缘标准概述与应用领域
3.6.1 特定绝缘系统中的安全标准
3.6.2 PCB高压安全相关绝缘标准
下篇：实践篇
04 绝缘等级的定义指南与示例
05 爬电距离（CPG）与电气间隙（CLR）的量化确认指南
5.1 定义爬电距离与电气间隙的流程图
5.2 电源瞬态电压的确定
5.3 电气间隙的确定
5.4 爬电距离的确定
06 案例说明：OBC绝缘设计
07 案例说明：通过PCB切口增加爬电的设计方法
08 高压环境PCB设计的绝缘间距要求及相关标准说明
09 总结
注：以上内容节选，完整版请在知识星球查阅（点击文末阅读原文）
上篇：基础篇
01
基础概念与绝缘等级
1.1爬电距离（CPG）与电气间隙（CLR）定义
爬电距离，指的是沿固体绝缘材料表面两个导电部件之间的最短距离。这一距离受污染、湿度和冷凝等因素的影响较大。在实际应用中，例如在潮湿或有导电性污染的环境下，爬电距离若不足，可能会导致绝缘表面形成导电通路，从而引发设备故障甚至安全事故。
因此，在高压设备中，爬电距离的设计必须足够长，以防止在工作电压下发生绝缘击穿或爬电现象。设计时需考虑工作电压的均方根（RMS）值、污染程度和材料组等因素。| SysPro备注：后续会解释这里面的概念和逻辑
图片来源：TI
电气间隙，则是空气中两个导电部件之间的最短距离。它主要受空气压力（海拔）和温度的影响。在高海拔地区，空气稀薄，空气的绝缘性能下降，因此需要更大的电气间隙来保证设备的安全。
因此，在设计电气间隙时，需考虑瞬态过电压、污染程度和海拔等因素，以确保在瞬态过电压下不会发生空气电离或电弧现象。。| SysPro备注：后续会解释这里面的概念和逻辑
图片来源：TI
1.2 绝缘等级分类与特点
绝缘等级包括：基本绝缘、补充绝缘、双重绝缘和加强绝缘。每种等级提供不同级别的电击防护：
基本绝缘：单层绝缘，用于在正常和异常工作条件下防止电击，是大多数常规电气设备的基础防护措施
补充绝缘：在基本绝缘之外独立应用的绝缘，提供额外的保护，当基本绝缘可能失效时，补充绝缘能提供额外的保护
双重绝缘：包含基本绝缘和补充绝缘，适用于正常、异常和单故障条件下的保护，为设备提供了更高层次的安全保障
加强绝缘：单层绝缘系统，但提供与双重绝缘相同的防护等级，适用于空间受限或需要简化设计的应用，在保证安全的前提下，优化了设备的设计。
我们要根据场景，选择合适的绝缘等级，这对于确保设备的安全性至关重要。那么，为什么要考虑绝缘等级？如何考虑设备的绝缘等级呢？这就要从应用场景来说说。
02
高压应用场景
2.1 电动汽车的应用
在电动汽车领域，高压应用广泛存在于电池管理系统、电机驱动系统等关键部分。电池管理系统负责监控和管理电池的状态，确保电池的安全和高效运行；电机驱动系统则控制电机的转速和扭矩，为车辆提供动力。
这些高压应用场景对绝缘性能提出了极高的要求，因为任何绝缘故障都可能导致电池短路、电机失控等严重后果，威胁到车辆和人员的安全。
图片来源：AUDI
2.2 其他领域的应用（略）
2.3 为什么要考虑绝缘等级？（略）
那么，了解了高压应用场景和绝缘等级在其中的存在的意义之后，我们要如何据此定义设备的绝缘等级呢？
2.4 如何考虑设备的绝缘等级呢？
绝缘等级的定义，主要要考虑以下几点因素（概述）：
|SysPro备注：这里仅做定性概述，从第3章节开始我会结合众多标准，对其中的所涉及相关因素进行定量说明，目的是提供一套完整的绝缘等级定义指南。
根据应用场景确定电压等级：不同的高压应用场景，其工作电压不同。例如电动汽车的驱动电机电压可能与服务器电源的电压不同，需要根据具体的电压范围来选择合适的绝缘材料和设计绝缘结构。
考虑环境因素：设备所处的环境对绝缘等级有很大影响。如果设备在高温、高湿度、多尘或腐蚀性环境中工作，绝缘材料的性能可能会下降。比如在工业环境中的电机驱动设备，可能需要更高耐热、耐湿和耐腐蚀的绝缘材料。
参考相关标准和规范：各行业都有针对高压设备绝缘的标准和规范，如国际电工委员会（IEC）标准、美国国家标准协会（ANSI）标准等。这些标准详细规定了不同应用场景下设备的绝缘要求，包括绝缘材料的性能、绝缘距离、耐压测试等方面。
进行耐压测试：在设备设计和生产过程中，需要进行耐压测试来验证绝缘等级是否符合要求。通过施加高于正常工作电压的测试电压，观察设备是否出现击穿、漏电等现象，以确保设备在实际使用中的安全性。
图片来源：Littelfuse
03
爬电距离与电气间隙
3.1 爬电距离 · 影响因素、测量、计算
在01中我们介绍了爬电距离，指的是沿固体绝缘材料表面两个导电部件之间的最短距离。
爬电距离的特性在于，它受污染、湿度和冷凝影响最大。在实际应用中，例如在工业环境或户外环境下，设备表面可能会积累灰尘、湿气等污染物，这些污染物会降低绝缘材料的表面电阻，增加爬电的风险。
因此，在定义爬电距离时，需要考虑工作电压的均方根（RMS）值、污染程度和材料组因素：
工作电压的RMS值：决定了绝缘材料所承受的电场强度
污染程度：反映了设备所处环境的恶劣程度
材料组：则根据绝缘材料的比较追踪指数（CTI）分类，不同材料组的绝缘性能有所差异
在设计开发中，需要我们结合上述因素，从相关标准表格中查出对应的爬电距离。需确保爬电距离满足或超过标准要求，以防止漏电或闪络现象。
|SysPro备注：关于爬电距离计算的三个因素的参考标准、定义方式、应用场景及其分类指南，这一系列问题我会在06中解释。
图片来源：TI
3.2 电气间隙 · 影响因素、测量、计算
在01中我们介绍了电气间隙，指的是空气中两个导电部件之间的最短距离。电气间隙的特性主要体现在无空气电离或电弧现象，以承受所需的瞬态过电压（短期）。
因此，在定义电气间隙时，需要根据工作电压、瞬态过电压、污染等级和海拔，从相关标准表格中查出对应的电气间隙：
空气压力（海拔）和问题：如前文所述，高海拔地区空气稀薄，空气的绝缘性能下降，需要更大的电气间隙来保证设备的安全。温度的变化也会影响空气的绝缘性能，进而影响电气间隙的要求
瞬态过电压：需考虑设备可能承受的瞬态过电压，可能是由于雷电、开关操作等原因引起的短暂高电压脉冲
污染程度：与爬电距离一样，不同污染等级对电气间隙的要求不同，需要根据具体情况进行合理设计
下面我们针对与爬电距离和电气间隙相关的绝缘参数做进一步地说明。
图片来源：TI
3.2 电气间隙 · 影响因素、测量、计算
在01中我们介绍了电气间隙，指的是空气中两个导电部件之间的最短距离。电气间隙的特性主要体现在无空气电离或电弧现象，以承受所需的瞬态过电压（短期）。
因此，在定义电气间隙时，需要根据工作电压、瞬态过电压、污染等级和海拔，从相关标准表格中查出对应的电气间隙。
下面我们针对与爬电距离和电气间隙相关的绝缘参数做进一步地说明。
图片来源：TI
3.3 材料组定义与CTI关系
材料组别是通过依据国际电工委员会IEC 60112 标准对测试数据进行评估来加以验证，强依赖于比较追踪指数（Comparative tracking index - CTI）...
3.4 污染等级分类、描述与示例
污染等级用于评估电气设备所处环境的污染程度，对设备的绝缘设计有重要影响。一般有4级污染等级，数字越大、对爬电距离/电气间隙越高，具体如下图：...
图片来源：TI
3.5 瞬态过电压类别定义、描述与示例
瞬态过电压类别也称为所需的冲击耐受电压，用于直接从低压电源供电的设备的概率性含义。具体分类如下：...
3.6 绝缘标准概述与应用领域
下面我们看看绝缘标准与相关定义，包括IEC 60664-1、IEC 62368-1、IEC 61800-5、IEC 62109-1、IPC 2221、IPC 9592等。|SysPro备注：需要说明的是，目前没有一个标准是覆盖所有电压等级的，所以这里面需要对标准有个系统性的梳理和认知
3.6.1 特定绝缘系统中的安全标准
-> IEC 60664-1...
->IEC 62368-1...
->IEC 61800-5...
->IEC 62109-1...
3.6.2 PCB高压安全相关绝缘标准
-> IPC 2221和IPC 9592...-> IEC 60664-1...-> IEC 62368...
下面，我们基于上述这些内容，来探讨下：如何正确地定义系统绝缘等级？如何量化爬电距离与电气间隙？方法和流程是怎样的？
图片来源：skywork
下篇：实践篇（已发布）
04
绝缘等级的定义指南与示例
在电气工程领域，确保电子元件和系统的安全性与可靠性至关重要。CPG（爬电距离）和CLR（电气间隙）是在这方面发挥关键作用的两个重要参数。理解绝缘等级以及它们与这些参数的关系，对于设计安全且符合标准的电气产品至关重要，这也是我们下面讲的核心内容：
...
05
爬电距离（CPG）与电气间隙（CLR）的量化确认指南
08中我们提到，与绝缘等级相关的两个关键参数是：爬电距离（CPG）与电气间隙（CLR）。那么，如何计算、定义CPG和CLR，以确保设计出的绝缘系统能够有效防止触电，并满足安全和性能要求呢？
5.1定义爬电距离与电气间隙的流程图
下图展示了一个用于防止触电的绝缘系统的设计流程图，具体指爬电距离（CPG）与电气间隙（CLR）的定义流程和方法...
1. 绝缘系统防触电的设计路径...
2. PCB高压间距的设计路径...
在了解了上述的流程方法后，我们需要进一步查阅标准，以帮助我们准确地得到想要的设计要求，主要包括：瞬态电压的定义、电气间隙的确认、爬电距离的确认。我会在下面几个章节中陆续说明。
图片来源：TI
5.2 电源瞬态电压的确定
...
5.3 电气间隙的确定
...
5.4 爬电距离的确定
...
06
案例说明：OBC绝缘设计
下图是车载电池充电系统（Onboard battery charger-obc）的案例，包含电路图、一些绝缘要求。根据上述的指南，我们可以通过以下步骤获取绝缘设计要求：...
Step1~Step4...
07
案例说明：通过PCB切口增加爬电的设计方法
下面这张图展示了如何借助PCB切口增加爬电距离，以提升电气安全性...
图片来源：TI
08
高压环境PCB设计的绝缘间距要求及相关标准说明
...
为了确保PCB在高压环境下的安全性和可靠性，需要引用多个国际标准（如IEC 60664-1、IPC-2221、IPC-9592和UL 796）来指导设计。这些标准涵盖了爬电距离、电气间隙、环境条件、保形涂层以及垂直层间距等方面的要求。具体来讲讲：...
图片来源：TI
09 总结
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基础知识
软件与操作系统
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