什么技術(shù)可減少電感電路中的開關(guān)設(shè)備故障

所有電子電路通常使用電感元件，如變壓器，線圈或繼電器，某些應(yīng)用，如步進(jìn)電機(jī)，也有感應(yīng)負(fù)載。不幸的是，感應(yīng)電路中的開關(guān)裝置的故障是常見的問題并且導(dǎo)致系統(tǒng)故障。開關(guān)晶體管和MOSFET故障在電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，開關(guān)模式電源和類似電子系統(tǒng)中很常見。切換失敗的原因可能是內(nèi)在的或外在的。在內(nèi)在故障中，設(shè)備本身可能有故障，可能已經(jīng)發(fā)生降級(jí)，或者它可能具有初始設(shè)備測(cè)試未檢測(cè)到的潛在缺陷。外部故障原因包括在系統(tǒng)正常運(yùn)行期間誤操作設(shè)備或使其超出其安全操作區(qū)域特性。在這種情況下，設(shè)備必然會(huì)因過度的壓力而失效。應(yīng)力可以是電氣（圖1）或熱過應(yīng)力。

最小化電感電路中的開關(guān)設(shè)備故障采用多管齊下的方法。首先，在電路中實(shí)現(xiàn)變壓器和其他電感元件的良好設(shè)計(jì)和構(gòu)造技術(shù)，以減少寄生效應(yīng)，如漏電感和寄生電容。其次，在開關(guān)設(shè)備上放置保護(hù)網(wǎng)絡(luò)或設(shè)備，以防止高壓擊穿。第三，使用適當(dāng)?shù)拈_關(guān)器件，其擊穿電壓額定值適合電路中的預(yù)期電壓電平。您應(yīng)該將數(shù)據(jù)手冊(cè)指定的擊穿電壓額定值降低約75％。您應(yīng)該為所有變壓器指定可接受的漏感電平，并在進(jìn)線檢查期間拒絕不符合規(guī)格的變壓器，以便此類有缺陷的元件不會(huì)導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)故障。由于任何系統(tǒng)的可靠性取決于系統(tǒng)中每個(gè)組件的可靠性，因此注意變壓器和開關(guān)設(shè)備的次要參數(shù)細(xì)節(jié)可以通過減少組件故障大大提高整體系統(tǒng)可靠性。

V CE 故障導(dǎo)致大多數(shù)故障

V CE 故障是導(dǎo)致故障的主要原因具有感性負(fù)載的電路中的半導(dǎo)體器件。出現(xiàn)這種故障存在各種原因。只要晶體管的集電極 - 發(fā)射極端子上的電壓超過其額定值，器件就可能發(fā)生故障。雖然設(shè)計(jì)人員根據(jù)應(yīng)用要求選擇器件，但電路中預(yù)期的電壓偏移可能在V CE 額定值范圍內(nèi)，但電路中的其他元件可能會(huì)導(dǎo)致V CE 電壓超過器件的最大限值。

考慮一個(gè)基本的晶體管電路，其中晶體管充當(dāng)開關(guān)，轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)電機(jī)繞組開關(guān)（圖2a）。在該電路中，感應(yīng)電動(dòng)機(jī)繞組中的電流的切換使開關(guān)裝置Q受到應(yīng)力。由于Ldi/dt電壓產(chǎn)生應(yīng)力，由于快速開關(guān)動(dòng)作，通過電動(dòng)機(jī)繞組的電流突然變化。該應(yīng)力以電壓的形式表現(xiàn)出來，電路在晶體管的集電極 - 發(fā)射極端子上施加電壓。如果晶體管的集電極 - 發(fā)射極端子上的電壓幅度超過其V CE 額定值，則晶體管的集電極 - 發(fā)射極結(jié)的高壓擊穿發(fā)生。您不能將為V CE 指定的完整額定值或任何其他參數(shù)應(yīng)用于晶體管。您必須根據(jù)應(yīng)用的可靠性要求和工作溫度降低指定的額定值。通常，您應(yīng)該將V CE 評(píng)級(jí)降低75％。因此，如果根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)規(guī)范，晶體管的額定電流在其集電極和發(fā)射極端子之間的最大電壓為100V，則其V CE 額定值僅為75V。在任何應(yīng)用中，該晶體管的V CE 不應(yīng)超過75V。在系統(tǒng)正常運(yùn)行期間集電極 - 發(fā)射極端子之間的施加電壓越低，系統(tǒng)的可靠性越好。

確保系統(tǒng)可靠性的第一種方法是選擇具有足夠的額定電壓容差的開關(guān)器件，尤其是V CE 擊穿電壓，取決于應(yīng)用要求。然后，對(duì)V CE 應(yīng)用適當(dāng)?shù)慕殿~，例如75％。您還可以通過在電感負(fù)載（圖2a）上連接二極管來保護(hù)感性負(fù)載電路中的晶體管免受V CE 擊穿，并將齊納二極管連接到晶體管的集電極 - 發(fā)射極端子（圖2b），或者通過開關(guān)器件連接緩沖網(wǎng)絡(luò)（圖2c）。

在圖2a中，二極管D提供晶體管關(guān)閉時(shí)的電流路徑這樣衰減的電流反饋到電源，Ldi/dt尖峰不會(huì)在集電極 - 發(fā)射極端子上產(chǎn)生應(yīng)力。這個(gè)所謂的續(xù)流二極管為開關(guān)關(guān)閉時(shí)的衰減感應(yīng)電流提供了自由路徑。

在圖2b中，齊納二極管的擊穿電壓應(yīng)小于晶體管的V CE 擊穿額定值使得齊納二極管擊穿并在大于正常電壓之前導(dǎo)通會(huì)損壞晶體管。在正常工作期間，當(dāng)晶體管的集電極出現(xiàn)大于正常電壓時(shí)，齊納二極管不導(dǎo)通而是擊穿。這個(gè)齊納二極管，即所謂的瞬態(tài)抑制二極管，應(yīng)該具有快速響應(yīng)。此外，二極管的功率處理能力應(yīng)足夠高，以便在二極管鉗位高電壓時(shí)以及瞬時(shí)功耗高時(shí)承受應(yīng)力。

在圖2c中，緩沖網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)電阻組成電容器串聯(lián)連接在晶體管兩端，二極管連接在電阻器兩端。該網(wǎng)絡(luò)可防止電路超出器件的反向偏置安全工作區(qū)特性。緩沖網(wǎng)絡(luò)可減少開/關(guān)周期內(nèi)晶體管的壓力，并通過降低集電極的dv/dt來減少EMI問題。您應(yīng)該選擇緩沖器組件，以便在晶體管底部沒有信號(hào)時(shí)，不會(huì)發(fā)生晶體管的V CE 擊穿。

您可以使用以下指南（源自簡(jiǎn)單且熟悉的公式）來計(jì)算緩沖器組件值。參考圖2c，基本電容 - 電荷方程給出了緩沖電容器存儲(chǔ)的電荷量，其中Q是電荷，V是電容器兩端的電壓，C是電容器的電容：

區(qū)分時(shí)間t，給出電流或電荷變化率：

假設(shè)開關(guān)時(shí)間為50％ ，通過電容器的平均電流是I/2，其中I是全電流。因此，

在整個(gè)周期內(nèi)，dt代表晶體管集電極電流的下降時(shí)間。請(qǐng)記住，僅當(dāng)晶體管關(guān)閉時(shí)，電流才會(huì)流過電容器。因此，在整個(gè)周期內(nèi)對(duì)C的等式進(jìn)行積分得出

因此，緩沖電容C的值如下：

在這種情況下，電容兩端的電壓大約低一個(gè)二極管壓降與集電極電壓相比，該等式包括晶體管的V CEO 等級(jí)的降額系數(shù)0.75。關(guān)閉時(shí)，晶體管會(huì)消耗電容器存儲(chǔ)的能量。這個(gè)能量是：

換句話說，晶體管關(guān)閉時(shí)消耗的功率是：

其中f是晶體管的開關(guān)頻率。

RC時(shí)間常數(shù)應(yīng)小于晶體管導(dǎo)通時(shí)間的一半，以便緩沖器網(wǎng)絡(luò)在晶體管關(guān)閉時(shí)準(zhǔn)備充電。使用此規(guī)則，您可以計(jì)算緩沖電阻R

寄生效應(yīng)也會(huì)導(dǎo)致問題

除了V CE 擊穿，其他問題，通常發(fā)生在開關(guān)模式電源和其他變壓器驅(qū)動(dòng)電路中，是由變壓器寄生效應(yīng)引起的。變壓器中的漏電感和寄生電容是破壞性寄生效應(yīng)，會(huì)影響開關(guān)器件的可靠運(yùn)行。由于寄生效應(yīng)，壞的變壓器會(huì)導(dǎo)致電源中的大功率損耗。通常，磁力線跟隨磁路通過初級(jí)和次級(jí)繞組之間的磁芯。如果初級(jí)繞組和次級(jí)繞組之間的磁耦合很差，則磁通線會(huì)通過其他路徑并通過繞組之間的空氣完成磁路（圖3a）。這種漏磁通會(huì)在初級(jí)和次級(jí)繞組中產(chǎn)生漏電感，這表現(xiàn)為初級(jí)和次級(jí)繞組中的小串聯(lián)電感（圖3b）。類似地，變壓器的初級(jí)和次級(jí)繞組之間存在寄生電容。而且，繞組的匝之間和繞組中的層之間存在電容。與漏電感相結(jié)合，雜散電路和其他寄生電容可以形成諧振電路，這可能導(dǎo)致輸出電路中的電壓尖峰。您可以通過將次級(jí)繞組短路并在變壓器的工作頻率下測(cè)量初級(jí)繞組的電感來測(cè)量漏電感。漏電感取決于變壓器的結(jié)構(gòu)，但并不高度依賴于頻率。

這些漏電感會(huì)導(dǎo)致大的輸出尖峰，從而導(dǎo)致電路故障。例如，在最近的一種情況中，基于變壓器的電源電路中的開關(guān)晶體管經(jīng)常出現(xiàn)故障。在晶體管的輸出端和集電極處可觀察到大的電壓尖峰，尖峰的幅度遠(yuǎn)高于正常的開關(guān)波形（圖4）。對(duì)晶體管故障模式的分析表明，該器件由于集電極 - 發(fā)射極擊穿引起的電過載而發(fā)生故障（圖1）。電壓尖峰的幅度超過晶體管的V CE 額定值，因此器件失效。進(jìn)一步的分析追溯了由于變壓器結(jié)構(gòu)和繞組技術(shù)不良導(dǎo)致的這些電壓尖峰導(dǎo)致變壓器繞組中的高漏電感的原因。改善變壓器繞組技術(shù)以減少漏感可以糾正這個(gè)問題。

合適的變壓器構(gòu)造技術(shù)包括散布初級(jí)和次級(jí)繞組以覆蓋整個(gè)繞線管并確保繞組之間的緊密接近，并在初級(jí)繞組和次級(jí)繞組之間放置靜電屏。

將繞組和確保緊密接近可減少磁通泄漏，并在繞組之間產(chǎn)生更好的磁耦合。降低漏感的關(guān)鍵是最大化初級(jí)和次級(jí)繞組之間的磁耦合。在交錯(cuò)式繞組技術(shù)中，將次級(jí)繞組放置在兩層初級(jí)繞組之間。換句話說，您將初級(jí)繞組分成兩個(gè)部分，這兩個(gè)部分位于次級(jí)繞組的兩側(cè)。在初級(jí)和次級(jí)之間實(shí)現(xiàn)緊密磁耦合的另一種技術(shù)是在纏繞變壓器之前將導(dǎo)線絞合在一起;這種纏繞技術(shù)稱為雙線纏繞。

靜電屏幕通常由足以覆蓋整個(gè)纏繞區(qū)域的銅箔組成;它通過繞組中心的連接接地。在屏幕末端重疊之前，您可以通過放置絕緣材料來確保箔片的兩端不接觸。如果端部沒有絕緣，則短路的銅箔將像短路的單匝次級(jí)繞組一樣，并且由于該短路箔中的過電流或“次級(jí)”，過熱可能會(huì)破壞該箔。您將箔片的中心點(diǎn)接地，以抵消由于屏幕中的感應(yīng)電流引起的感應(yīng)效應(yīng)，屏幕現(xiàn)在以相反的方向流向地面。