고전압 PCB 설계: 여유 공간, 간격 및 아크 방지 팁

고전압 PCB 설계는 단순히 표준 PCB의 크기를 키우는 것만이 아닙니다. 아크 발생 방지, 안전 확보, 그리고 장기적인 성능 유지를 위한 중요한 고려 사항이 필요합니다.

이 글에서는 고전압 PCB 설계를 안전과 신뢰성을 위해 최적화하는 방법을 살펴보겠습니다. 고전압 간극 거리, PCB 트랙 간격, 절연 등 다양한 측면을 고려합니다.

고전압 PCB 란 무엇입니까?

고전압 PCB는 고전압을 견딜 수 있도록 특별히 설계된 인쇄 회로 기판으로, 일반적으로 수백 볼트에서 수천 볼트에 이르는 전압과 같이 표준 회로 기판보다 훨씬 높은 전압이 발생하는 애플리케이션에 적합합니다.

저전압 디지털 또는 아날로그 신호용 일반 PCB와 비교했을 때, 고전압 PCB는 절연 층의 전기적 파괴를 방지하는 방법, 공기 중 아크 발생을 피하는 방법, 전도성 요소 간에 충분한 간격을 확보하는 방법에 중점을 두고 설계해야 합니다.

따라서 고전압 PCB 설계에서는 절연 재료의 선정, 고전압 간극 거리의 설정, PCB 트레이스 간격의 합리적인 배치, 구조적 절연 방법의 구현과 같은 핵심 고려 사항이 안전성과 신뢰성을 보장하는 데 매우 중요합니다.

고전압 PCB의 일반적인 응용 분야

고전압 PCB 다음과 같이 고전압 처리가 필요하고 복잡한 환경에서 작동하는 장비에 일반적으로 사용됩니다.

• 전원 공급 장치 및 전력 변환기:

이러한 장치는 AC에서 DC로, 저전압에서 고전압으로 등의 전압 레벨을 변환하는 데 사용됩니다.

• 전기 자동차 시스템:

전기 자동차의 경우 모터 드라이브, 배터리 관리 시스템(BMS), 충전 시스템과 같은 구성 요소에는 고전압 전류의 전송 및 제어가 포함됩니다.

• 산업 자동화 장비:

대형 기계, 로봇 팔, 인버터, 모터 제어 시스템과 같은 장비는 종종 고전력, 고전압 신호나 부하를 처리합니다.

• 의료 기기(예: 제세동기):

일부 의료 기기는 갑자기 고전압을 전달해야 합니다. 예를 들어, 제세동기는 수천 볼트의 충격 전압을 생성할 수 있습니다.

• 항공우주 및 방위 시스템:

이러한 시스템은 고도가 높고, 압력이 낮고, 습도가 높은 등 극한 환경에서 작동하므로 뛰어난 안정성과 안전성을 갖춘 회로 기판이 필요합니다.

위의 모든 적용 분야에서 아크 방지를 위한 신뢰할 수 있는 고전압 PCB 설계가 없다면 회로 고장, 아크 발생, 심지어 인명 피해까지 발생할 수 있습니다. 따라서 고압 환경에서 장비의 안전하고 안정적이며 내구성 있는 작동을 보장하기 위해 설계 단계에서는 절연, 간격, 재료 및 기타 요소에 중점을 두어야 합니다.

고전압 PCB의 주요 설계 고려 사항

고전압 환경에서 작동해야 하는 회로 기판을 설계하는 경우, 일반 PCB처럼 설계할 수는 없습니다. 전압이 높으면 스파크, 전류 누설, 심지어 회로 소손이 발생하기 쉽습니다. 따라서 설계 과정에서 특히 주의해야 합니다. 특히 다음 부분에 특히 주의해야 합니다.

1. 연면거리 및 공간거리

다음 두 용어는 기술적으로 들리지만 실제로는 이해하기 쉽습니다.

• 정리: 이는 두 개의 전기가 흐르는 금속 부분 사이의 "공기를 통한" 최단 거리입니다. 두 부분이 너무 가까우면 고전압이 공기를 파괴하여 스파크(아크)를 일으킬 수 있습니다.

• 크리피지: 이것은 전류가 PCB 표면을 따라 "흐를" 수 있는 가장 짧은 경로입니다. 표면에 먼지, 습기 또는 오염이 많으면 누전될 가능성이 더욱 높습니다.

따라서 설계 시 전기가 흐르는 부품 사이에 충분한 거리를 두십시오. 너무 가까우면 전류가 "공기를 통해 튀어 오르거나" 기판 표면을 따라 흐를 수 있습니다.

2. 재료 선택

전압이 높아지면 아무 재료나 사용할 수 없게 됩니다.

• FR4와 같은 일반적인 PCB 소재는 일반적인 사용에는 괜찮지만 고전압 상황에서는 충분히 안전하지 않을 수 있습니다.

• 고온 폴리이미드나 세라믹 기반 소재처럼 절연성이 더 강한 소재를 사용하는 것이 좋습니다. 이러한 소재는 전압이 통과하기 훨씬 어렵습니다.

간단히 말해서, 적절한 재료를 사용하면 전압이 "뚫리는" 것을 막을 수 있습니다.

3. 단열 기술

부품을 분리하고 좋은 재료를 선택하는 것 외에도 단열성을 개선할 수 있는 방법이 많이 있습니다.

• 컨포멀 코팅: 보드 표면에 보호층을 뿌려 습기, 먼지, 부식을 차단합니다.

• 포팅 또는 캡슐화: 전류가 갈 곳이 없도록 보드 전체나 주요 부분을 접착제나 수지로 채웁니다.

• 격리 슬롯: 보드에 홈을 내어 고전압 영역을 나머지 영역으로부터 물리적으로 분리하고, 전류가 더 길고 안전한 경로로 흐르도록 합니다.

이러한 기술은 전압을 "고정"하여 전압이 누출되거나 급등하는 것을 방지하는 데 도움이 됩니다.

4. 보드 두께 및 간격

• 보드 두께: 보드가 두꺼울수록 고전압에 의한 파손을 더 잘 견뎌냅니다.

• 트레이스 간격: 구리선 사이의 간격은 충분히 넓어야 합니다. 배선이 너무 가까우면 고전압이 전선을 가로질러 흐를 수 있습니다.

일반적인 경험 법칙은 2.5볼트마다 최소 1000mm의 간격을 두는 것입니다. 따라서 3000볼트라면 최소 7.5mm의 간격이 필요합니다.

이렇게 하면 보드 크기가 커질 수 있지만 안전을 위해서는 그만한 가치가 있습니다.

5. 표면 마감 및 비아 보호

•  보드 표면에는 ENIG(무전해 니켈 도금)와 같은 고품질 마감재를 사용하십시오. 산화를 방지하고 전도성을 향상시켜 고전압 보드에 적합합니다.

•  기판에 있는 작은 구멍(비아라고 함)은 노출시키지 마세요. 전기 아크의 경로가 되지 않도록 덮거나 메우세요.

맺음말

고전압 PCB를 설계하는 것은 기본적으로 하나의 간단한 아이디어로 귀결됩니다.

전류가 올바른 경로로 흐르도록 하고, 점프, 아크 또는 누출이 발생하지 않도록 하세요.

그러기 위해서는 적절한 재료를 선택하고, 부품에 충분한 공간을 확보하고, 적절한 절연을 적용하고, 더 두꺼운 기판을 사용하고, 세부적인 부분까지 주의를 기울여야 합니다. 이러한 모든 핵심 부분을 제대로 관리하면 고전압 PCB가 오랫동안 안전하고 안정적으로 작동할 수 있습니다.

제품 설계, 조달 업무를 담당하거나 PCB 업계에 막 발을 들여놓는다면 반드시 이해해야 할 가장 기본적이지만 필수적인 안전 원칙은 다음과 같습니다.