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，如步進電機，也有感應(yīng)負載。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故障在電機驅(qū)動器，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，或者它可能具有初始設(shè)備測試未檢測到的潛在缺陷。外部故障原因包括在系統(tǒng)正常運行期間誤操作設(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，在電路中實現(xiàn)變壓器和其他電感元件的良好設(shè)計和構(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導(dǎo)致現(xiàn)場故障。由于任何系統(tǒng)的可靠性取決于系統(tǒng)中每個組件的可靠性，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導(dǎo)致V CE 電壓超過器件的最大限值。

考慮一個基本的晶體管電路，其中晶體管充當(dāng)開關(guān)，轉(zhuǎn)動一個電機繞組開關(guān)（圖2a）。在該電路中，感應(yīng)電動機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)動作，通過電動機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 評級降低75％。因此，如果根據(jù)數(shù)據(jù)手冊規(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V CE 應(yīng)用適當(dāng)?shù)慕殿~，例如75％。您還可以通過在電感負載（圖2a）上連接二極管來保護感性負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)閉時的電流路徑這樣衰減的電流反饋到電源，Ldi/dt尖峰不會在集電極 - 發(fā)射極端子上產(chǎn)生應(yīng)力。這個所謂的續(xù)流二極管為開關(guān)關(guān)閉時的衰減感應(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，齊納二極管不導(dǎo)通而是擊穿。這個齊納二極管，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以及瞬時功耗高時承受應(yīng)力。

在圖2c中，緩沖網(wǎng)絡(luò)由一個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時，不會發(fā)生晶體管的V CE 擊穿。

您可以使用以下指南（源自簡單且熟悉的公式）來計算緩沖器組件值。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)分時間t，給出電流或電荷變化率：

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

在整個周期內(nèi)，dt代表晶體管集電極電流的下降時間。請記住，僅當(dāng)晶體管關(guān)閉時，電流才會流過電容器。因此，在整個周期內(nèi)對C的等式進行積分得出

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 等級的降額系數(shù)0.75。關(guān)閉時，晶體管會消耗電容器存儲的能量。這個能量是：

換句話說，晶體管關(guān)閉時消耗的功率是：

其中f是晶體管的開關(guān)頻率。

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

寄生效應(yīng)也會導(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)，會影響開關(guān)器件的可靠運行。由于寄生效應(yīng)，壞的變壓器會導(dǎo)致電源中的大功率損耗。通常，磁力線跟隨磁路通過初級和次級繞組之間的磁芯。如果初級繞組和次級繞組之間的磁耦合很差，則磁通線會通過其他路徑并通過繞組之間的空氣完成磁路（圖3a）。這種漏磁通會在初級和次級繞組中產(chǎn)生漏電感，這表現(xiàn)為初級和次級繞組中的小串聯(lián)電感（圖3b）。類似地，變壓器的初級和次級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。您可以通過將次級繞組短路并在變壓器的工作頻率下測量初級繞組的電感來測量漏電感。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，尖峰的幅度遠高于正常的開關(guān)波形（圖4）。對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問題。

合適的變壓器構(gòu)造技術(shù)包括散布初級和次級繞組以覆蓋整個繞線管并確保繞組之間的緊密接近，并在初級繞組和次級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)鍵是最大化初級和次級繞組之間的磁耦合。在交錯式繞組技術(shù)中，將次級繞組放置在兩層初級繞組之間。換句話說，您將初級繞組分成兩個部分，這兩個部分位于次級繞組的兩側(cè)。在初級和次級之間實現(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繞組一樣，并且由于該短路箔中的過電流或“次級”，過熱可能會破壞該箔。您將箔片的中心點接地，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。