GaN 充電器安規挑戰：高密度設計下空間距離與沿面距離的破解之道
- 2025年12月2日
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近年來，以氮化鎵（GaN）為代表的寬能隙半導體技術，掀起了一場電源設計的革命。其高開關頻率、低導通電阻的特性，使得電源供應器的功率密度達到了前所未有的高度——一個 100W 的充電器可能僅有名片盒大小。然而，這種極致的壓縮，也將安規工程中最古老、最核心的挑戰——絕緣協調（Insulation Coordination）——推向了極限。
當 PCB 上的空間被壓縮到以毫米甚至微米計算時，傳統上依賴「查表」得來的空間距離（Clearance）和沿面距離（Creepage）要求，似乎成為了阻礙創新的高牆。
本文探討高密度設計（HPD, High-Density Power）中絕緣協調的核心矛盾，回顧其不可妥協的失效機制，並深入解析工程師如何運用 IEC 60664-1 及 IEC 62368-1 中的先進原則，「合法」地在極限空間內達成安全隔離。
核心矛盾：功率密度提升 V.S. 物理空間限制
傳統絕緣協調的空間需求
絕緣協調的根本依據來自 IEC 60664-1，其目的是確保設備在預期的電氣應力（工作電壓、瞬態過電壓）和環境條件（污染、氣壓）下，絕緣失效的機率低至可接受的水平。
空間距離（Clearance）：由瞬態過電壓（Transient Overvoltages）決定。對於一個插在牆上（即過電壓類別 II，OVC II）的 230V 產品，標準假定其必須承受 2500V 的瞬態脈衝。要靠空氣間隙耐受這個電壓，需要數毫米的距離。
沿面距離（Creepage）：由工作電壓（Working Voltage）、污染等級（Pollution Degree, PD）和材料比較性漏電起痕指數（CTI, Comparative Tracking Index）共同決定。在典型的辦公室環境（PD 2）和使用常規 FR-4 材料（CTI Group IIIa）的情況下，也需要數毫米的爬電距離來防止長期失效。
GaN 技術帶來的設計壓縮
GaN 技術允許開關頻率從幾十 KHz 提高到幾百 KHz 甚至 MHz 級別。根據電磁學原理，頻率的提高意味著變壓器、電感和電容等被動元件的體積可以大幅縮小。
這導致了一個直接的衝突：電路拓撲（Topology）在物理上極度微型化，但產品的「介面」——即連接到電網的輸入端——其所處的電氣環境（OVC II）和微觀環境（PD 2）從未改變。
一個 100W 的 GaN 充電器，其安規要求與二十年前 100W 的笨重線性電源完全相同。工程師被迫在一個極小的空間內，騰出原本為大體積設計所預留的「安全距離」。
失效機制的回顧：為何距離不可妥協？
在高密度設計的壓力下，試圖「豁免」或「減少」距離的想法是極其危險的。我們必須回顧距離所對抗的物理失效機制。
空間距離：對抗電離雪崩 (Ionization Avalanche)
空間距離的唯一目的，是防止空氣的介電擊穿——即電弧（Arcing）。
如前所述，OVC II 假定了 2500V 的瞬態衝擊。當此電壓施加在兩個導體上時，會在空氣間隙中產生強電場。如果電場強度超過空氣的擊穿閾值，空氣中的自由電子會被加速，碰撞並電離中性空氣分子，產生更多的電子。這個連鎖反應被稱為「電離雪崩」，它會在幾微秒內形成一個導電的電漿通道，導致短路。
首席洞察：高頻開關的潛在影響
GaN 的高頻開關本身雖然不直接改變 OVC II 的要求（OVC II 主要是應對來自電網的低頻瞬態），但高 $dV/dt$（電壓變化率）的開關波形，會對絕緣材料產生更嚴苛的電應力，更容易引發局部放電（Partial Discharge, PD），尤其是在固態絕緣的微小缺陷中。
沿面距離：對抗漏電起痕 (Tracking)
沿面距離的目的是防止絕緣材料表面因污染和濕氣，在長期工作電壓下發生漸進式的碳化，即漏電起痕（Tracking）。
首席洞察：高溫工作對 CTI 的挑戰
GaN 充電器因功率密度極高，其內部工作溫度（例如 80°C 至 100°C）遠高於傳統電源。而 CTI 值是在室溫下測得的。
加速老化： 高溫會顯著加速絕緣材料的熱老化，使其化學結構變脆、變質。
CTI 降額： 更重要的是，高溫會降低材料抵抗漏電起痕的實際能力。一個在 25°C 時表現為 CTI Group I（$\ge 600V$）的材料，在 100°C 下的性能可能大幅下降。
污染固化： 高溫會使積聚在 PCB 表面的灰塵和污染物「烤」在表面，使其更難清除，並在冷凝發生時更容易形成導電通路。
因此，在高溫、高密度的設計中，盲目套用室溫下的沿面距離表格是極為冒險的。
高密度設計的「合法」破解之道：超越傳統查表
既然物理距離由環境和材料決定，且不可妥協，那麼高密度設計的唯一出路就是——主動改變這些決定因素。
關鍵策略一：改變微觀環境（從 PD 2 到 PD 1）
最有效的方法是將絕緣系統所處的「微觀環境」從開放的 PD 2（辦公室環境，有灰塵、偶有冷凝）改變為受控的 PD 1（無污染，或僅有乾燥非導電污染）。
根據 IEC 60664-1，在 PD 1 環境下，漏電起痕的失效機制被認為已受到控制，因此沿面距離（Creepage）的要求可以降低到等於空間距離（Clearance）的要求。這為 PCB 佈線釋放了巨大的空間。
灌膠 (Potting) 的應用
實現 PD 1 最徹底的方法是灌膠。使用導熱環氧樹脂或矽膠將整個 PCB（特別是高壓區域）完全封裝。
優勢：
環境隔離： 徹底杜絕了灰塵和濕氣的侵入，將環境變為 PD 1。
固態絕緣： 空氣間隙被固態絕緣材料取代，其介電強度遠高於空氣。
熱管理： 導熱膠有助於將 GaN 元件的熱量均勻傳導到外殼。
挑戰： 灌膠引入了新的失效模式，詳見後述。
保形塗層 (Conformal Coating)
保形塗層（俗稱「三防漆」）是在 PCB 表面塗覆一層薄薄的絕緣漆。這在理論上也能實現 PD 1，但其可靠性遠低於灌膠。
挑戰：
均勻性： 必須保證在銳利的元件引腳、焊點邊緣也有足夠的塗層厚度。
附著力： 塗層必須與 PCB 表面（包括阻焊層和絲印）有完美的附著力，不能有氣泡或脫落。
邊緣覆蓋： 如何處理 PCB 邊緣和連接器介面，是評估中的難點。
安規觀點： 多數認證機構（CB）對僅使用塗層來將 PD 2 降為 PD 1 持非常謹慎的態度，通常需要嚴格的製程控制文件和測試（如附著力測試、熱衝擊測試）來證明其長期有效性。
關鍵策略二：利用固態絕緣 (Solid Insulation)
當空氣（空間距離）成為障礙時，就用介電強度高几百倍的固態絕緣材料取而代之。
PCB 內層（Inner Layers）作為加強絕緣
在多層 PCB 設計中，這是一個極具成本效益的方案。例如，初級（Primary）和次級（Secondary）電路可以分別佈線在 L1（頂層）和 L4（底層），而 L2 和 L3 則作為加強絕緣（Reinforced Insulation）的屏障。
要求：
材料： 必須使用高 CTI 的 FR-4 材料（至少 Group II）。
厚度： IEC 62368-1 要求加強絕緣的固態材料厚度（例如，至少 0.4mm 或滿足嚴格的局部放電測試）。這意味著 L2 和 L3 之間的 PP（Prepreg）片厚度必須被嚴格控制。
均質性： 製造過程中不能有分層、雜質或空洞。
隔離元件的革命：數位隔離器 (Digital Isolator)
傳統的光耦合器（Optocoupler）依靠 LED 和光電晶體管，其內部絕緣距離（Internal Clearance）通常很大，體積也大。
現代 GaN 設計大量採用基於電容或電感耦合的數位隔離器（Digital Isolator）。它們使用二氧化矽（Silicon Dioxide）等極薄但介電強度極高的材料作為內部絕緣屏障。
優勢： 體積小、速度快，且其固態絕緣屏障能輕鬆耐受 2500V 甚至 5000V 的瞬態衝擊。
安規考量： 這些元件必須通過 VDE 0884-11 或等效標準的認證，證明其內部固態絕緣的長期可靠性（特別是抗局部放電能力）。
關鍵策略三：結構設計的優化
當無法完全消除空氣間隙時，可以透過結構設計來優化距離。
PCB 挖槽（Slotting/Routing）的正確時機
在初級和次級之間挖槽，是增加沿面距離（Creepage）的經典手段。
原理： 挖槽迫使漏電流必須繞過這個物理鴻溝。
誤區： 挖槽不能增加空間距離（Clearance）。空氣中的電弧總會選擇最短的直線路徑，即「飛越」鴻溝。
應用： 僅當設計中「沿面距離不足」但「空間距離已足夠」時，挖槽才是有意義的。在 GaN 設計中，如果採用了灌膠（PD 1），沿面距離的需求已降至等於空間距離，此時挖槽的意義就不大了。
使用屏障（Barriers）
使用薄的絕緣片（如聚碳酸酯 PC 或 Mylar 片）插入到兩個電路之間，可以有效增加沿面距離，並在一定程度上增加空間距離（如果屏障足夠高，迫使電弧繞行）。在高密度設計中，這是一種常見的「打補丁」方式。
實務挑戰：當理論遇上製造
在高密度設計中，採用 PD 1 或固態絕緣策略，意味著安規的成敗從「設計審核」轉移到了「製程控制」。
灌膠的品質控制：氣泡（Voids）的致命風險
這是灌膠（Potting）最大的敵人。如果在高壓導體和接地之間、或初次級之間，灌膠過程中產生了一個微小的氣泡（Void），會發生什麼？
電場集中： 固態膠的介電常數（$\varepsilon_r$）遠高於氣泡內空氣的介電常數（約為 1）。根據電磁場理論，電場強度會集中在介電常數低的氣泡中。
局部放電： 氣泡內部的電場強度，可能遠高於外部施加的平均電場強度。即使是正常工作電壓，也可能足以「擊穿」這個氣泡內的空氣，產生局部放電（Partial Discharge, PD）。
漸進失效： 這種放電就像微型的電鑽，持續不斷地轟擊氣泡周圍的固態樹脂，使其化學鍵斷裂、碳化。
最終擊穿： 經過數月或數年的運行，碳化路徑會逐漸形成，最終導致整個固態絕緣被擊穿。
這就是為什麼灌膠必須採用真空灌注工藝，以確保完全浸潤、無氣泡殘留。
結論：從「遵守距離」到「管理絕緣系統」
GaN 時代的高密度設計，迫使安規工程師的思維必須升級。我們不再是「距離的檢查者」，而是「絕緣系統的管理者」。
在極限空間內，安全不再僅僅是 PCB 上兩點之間的距離。安全，是 PCB 基材的 CTI 等級、是多層板的 PP 厚度、是灌膠工藝的真空度、是數位隔離器內部的二氧化矽薄膜的均質性。
IEC 60664-1 和 IEC 62368-1（HBSE）的框架早已為此準備了工具。透過主動將環境從 PD 2 變更為 PD 1，並善用固態絕緣的優勢，我們才能在物理定律的限制下，安全地實現 GaN 技術所承諾的高功率密度未來。
