一、電感特性：電感的電流是連續(xù)的

電感電流是連續(xù)的，這是由電感的基本特性決定的。下面從原理和數(shù)學(xué)兩個(gè)角度為你詳細(xì)解釋并證明：

原理角度

電感是一種能夠儲(chǔ)存和釋放磁場(chǎng)能量的元件，其儲(chǔ)存的磁場(chǎng)能量表達(dá)式為，其中是磁場(chǎng)能量，是電感系數(shù)，是通過(guò)電感的電流。

根據(jù)能量守恒定律，能量不能突變。因?yàn)殡姼袃?chǔ)存的磁場(chǎng)能量與電流的平方成正比，如果電流發(fā)生突變，意味著在極短的時(shí)間內(nèi)電感儲(chǔ)存的能量也會(huì)發(fā)生突變。但在現(xiàn)實(shí)中，能量的變化需要一定的時(shí)間來(lái)完成，不可能瞬間改變。能量不能瞬移，能量瞬移則需要無(wú)窮大的功率。所以，電感中的電流不能突變，即電流是連續(xù)變化的。

數(shù)學(xué)角度

根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律和電感的定義，電感兩端的電壓與通過(guò)電感的電流之間的關(guān)系為，其中為電感值，表示電流隨時(shí)間的變化率。

對(duì)上述公式進(jìn)行變形，得到電流變化量與電壓和時(shí)間的關(guān)系：

在實(shí)際電路中，電感兩端的電壓是有限值。當(dāng)時(shí)間間隔趨近于零時(shí)（也就是在一個(gè)瞬間），積分的值也趨近于零。所以有：
這表明在一個(gè)瞬間內(nèi)電流的變化量為零，即電流不能發(fā)生突變，是連續(xù)的。

綜上所述，無(wú)論是從物理原理的能量守恒角度，還是從數(shù)學(xué)推導(dǎo)的角度，都能證明電感電流是連續(xù)的。

實(shí)際電路分析

開(kāi)關(guān)閉合時(shí)電流從直流電壓源正端流出，在此導(dǎo)通期間，圖中電感上端電壓高于其下端電壓。此后，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，輸入直流電壓源與電感斷開(kāi)，電流要保持連續(xù)，且與原方向保持一致，因此在開(kāi)關(guān)關(guān)斷期間，可將電感視為一個(gè)電壓源，維持電流連續(xù)。因此，圖中用灰線在電感兩端標(biāo)示了一假想電壓源（電池模型），其極性符合電流從電壓源正極流出的規(guī)則。這使電感下端高于其上端電壓。可見(jiàn)，為維持電流連續(xù)，電感電壓需發(fā)生反向。

二、開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，可能產(chǎn)生的現(xiàn)象

當(dāng)用機(jī)械開(kāi)關(guān)把電感的電流突然切斷時(shí)，會(huì)出現(xiàn)以下現(xiàn)象：

1. 產(chǎn)生高電壓：根據(jù)電磁感應(yīng)定律（法拉第電磁感應(yīng)定律），（其中是感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，是電感，是電流的變化率）。當(dāng)機(jī)械開(kāi)關(guān)突然切斷電感電流時(shí)，電流在極短時(shí)間內(nèi)從一定值變?yōu)榱?，電流變化?span style="box-sizing: border-box !important; margin: 0px; padding: 0px; border: 0px; max-width: 100%; overflow-wrap: break-word !important; -webkit-font-smoothing: antialiased; -webkit-tap-highlight-color: rgba(0, 0, 0, 0);">很大，且為負(fù)值。由于電感為定值，所以會(huì)在電感兩端產(chǎn)生一個(gè)很高的反向感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。這個(gè)電動(dòng)勢(shì)的方向是試圖維持原來(lái)的電流方向，以阻礙電流的突然變化。

2. 開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)間產(chǎn)生電弧：由于電感兩端產(chǎn)生了高電壓，而機(jī)械開(kāi)關(guān)斷開(kāi)瞬間，觸點(diǎn)之間的空氣在高電壓作用下會(huì)被擊穿，形成導(dǎo)電通道，產(chǎn)生電弧。電弧是一種氣體放電現(xiàn)象，它能夠持續(xù)導(dǎo)通電流，使得電感中的能量得以繼續(xù)釋放。這是因?yàn)殡娀≈械母邷氐入x子體具有良好的導(dǎo)電性，可以在一定程度上維持電流的流動(dòng)，直到電感中的磁場(chǎng)能量消耗殆盡。

   
   

   在機(jī)械開(kāi)關(guān)斷開(kāi)瞬間，由于電感兩端產(chǎn)生的高電壓擊穿觸點(diǎn)間空氣形成電弧，此時(shí)電弧會(huì)釋放出大量的熱量，使得觸點(diǎn)附近的溫度急劇升高。

   起初，能夠看到開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)之間出現(xiàn)明亮刺眼的弧光，伴隨著強(qiáng)烈的光線和 “噼啪” 作響的放電聲音。隨著電弧持續(xù)存在，電弧產(chǎn)生的高溫不斷作用于觸點(diǎn)。如果電弧能量足夠大、持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，觸點(diǎn)的金屬材料會(huì)先開(kāi)始軟化，原本平整光滑的觸點(diǎn)表面逐漸失去光澤，變得凹凸不平。

   接著，隨著溫度進(jìn)一步升高，達(dá)到觸點(diǎn)金屬材料的熔點(diǎn)后，金屬開(kāi)始熔化，呈現(xiàn)出液態(tài)的金屬滴。這些液態(tài)金屬滴可能會(huì)在電弧力和重力的作用下，從觸點(diǎn)上滴落下來(lái)。同時(shí)，由于金屬的熔化和蒸發(fā)，觸點(diǎn)的質(zhì)量會(huì)逐漸減小，形狀也會(huì)發(fā)生明顯改變，比如觸點(diǎn)的厚度變薄、邊緣變得不規(guī)則。

   在電弧熄滅后，原本金屬質(zhì)地的觸點(diǎn)可能會(huì)殘留一些黑色或其他顏色的氧化物（取決于觸點(diǎn)材料和周圍環(huán)境），表面變得粗糙且可能有孔洞或裂縫，這是因?yàn)樵诟邷叵陆饘倥c空氣中的氧氣發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，并且部分金屬被蒸發(fā)或?yàn)R射出去了。如果觸點(diǎn)融化較為嚴(yán)重，可能會(huì)導(dǎo)致開(kāi)關(guān)無(wú)法正常閉合或?qū)娏?，使整個(gè)電路出現(xiàn)故障。

   

3. 可能損壞電路元件：高電壓不僅會(huì)在開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)間產(chǎn)生電弧，還可能對(duì)電路中的其他元件造成損害。例如，可能會(huì)擊穿與電感相連的電子元件的絕緣層，導(dǎo)致元件損壞；或者超過(guò)其他元件的額定電壓，使其性能下降甚至失效。

4. 輻射電磁干擾：快速變化的電流和高電壓會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁輻射，形成電磁干擾（EMI）。這種電磁干擾可能會(huì)影響周圍其他電子設(shè)備的正常工作，例如導(dǎo)致附近的通信設(shè)備出現(xiàn)信號(hào)干擾、數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤等問(wèn)題。

三、機(jī)械開(kāi)關(guān)VS電子開(kāi)關(guān)，切斷電感電流的區(qū)別

機(jī)械開(kāi)關(guān)切斷電感電流

1. 現(xiàn)象：

• 電弧放電：當(dāng)機(jī)械開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)分離時(shí)，電感試圖維持電流，導(dǎo)致觸點(diǎn)間電壓急劇升高，擊穿空氣形成電弧。電弧會(huì)持續(xù)到電感能量釋放完畢或觸點(diǎn)間距足夠大。

• 觸點(diǎn)損壞：電弧的高溫會(huì)燒蝕開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)，縮短機(jī)械開(kāi)關(guān)壽命。

• 電磁干擾（EMI）：電弧產(chǎn)生高頻噪聲，干擾周圍電子設(shè)備。

• 典型應(yīng)用場(chǎng)景：機(jī)械開(kāi)關(guān)（如繼電器、斷路器）直接切斷感性負(fù)載（如電機(jī)、電磁閥）時(shí)，必須設(shè)計(jì)滅弧裝置（如磁吹滅弧、滅弧柵）或并聯(lián)保護(hù)元件（如RC緩沖電路、壓敏電阻）。

  
  

電子開(kāi)關(guān)（MOSFET）切斷電感電流

1. 現(xiàn)象：

• 電壓尖峰：MOSFET關(guān)斷速度極快（納秒級(jí)），導(dǎo)致電流變化率（didt）極大，從而在漏源極（D-S）間產(chǎn)生高壓尖峰。

• 器件擊穿：若電壓尖峰超過(guò)MOSFET的耐壓值（VDSS），會(huì)導(dǎo)致器件擊穿損壞。

• 無(wú)電?。喊雽?dǎo)體開(kāi)關(guān)無(wú)物理觸點(diǎn)，避免了電弧問(wèn)題。

• 關(guān)鍵保護(hù)措施：

• 續(xù)流二極管：在電感兩端反向并聯(lián)二極管（續(xù)流二極管），為電感電流提供釋放路徑，限制電壓尖峰（鉗位在二極管正向壓降）。

• RC緩沖電路：吸收高頻能量，減緩電壓上升速率。

• TVS/穩(wěn)壓管：瞬態(tài)電壓抑制器或齊納二極管可鉗位過(guò)壓。




機(jī)械開(kāi)關(guān) vs. 電子開(kāi)關(guān)對(duì)比

特性	機(jī)械開(kāi)關(guān)	電子開(kāi)關(guān)（MOSFET）
關(guān)斷速度	慢（毫秒級(jí)）	快（納秒級(jí)）
電弧風(fēng)險(xiǎn)	高（需滅弧設(shè)計(jì)）	無(wú)
電壓尖峰	較低（因關(guān)斷速度慢）	極高（需外部保護(hù)電路）
壽命	有限（觸點(diǎn)磨損）	長(zhǎng)（無(wú)機(jī)械磨損）
典型保護(hù)措施	滅弧裝置、RC電路、壓敏電阻	續(xù)流二極管、RC緩沖、TVS/穩(wěn)壓管







四、解決方案

1）泄放二極管

開(kāi)關(guān)閉合時(shí)，由于二極管單向?qū)ㄌ匦?，不?huì)對(duì)主通路產(chǎn)生影響；

開(kāi)關(guān)斷開(kāi)后，電感產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)上負(fù)下正，通過(guò)并聯(lián)的二極管泄放電壓，來(lái)減少對(duì)開(kāi)關(guān)的損傷。



二極管必須能夠承受關(guān)斷時(shí)的初始電流，該初始電流等于開(kāi)關(guān)閉合時(shí)流經(jīng)電感的穩(wěn)態(tài)電流。此外，二極管的額定電壓需要能夠承受正電壓電平和負(fù)電壓電平之間的變化幅度。一條經(jīng)驗(yàn)法則是，選擇額定電流至少達(dá)到電感線圈所汲取電流大小、且額定電壓至少為負(fù)載工作電壓兩倍的二極管。

此種方案的缺點(diǎn)是泄放感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，所以可以采用Zener Diode并聯(lián)在電感負(fù)載兩側(cè)，電感電流迅速消失。






2）RC消火花電路

如下圖所示，采用RC串聯(lián)電路，與開(kāi)關(guān)進(jìn)行并聯(lián)，這樣感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)可以消耗在電容和電阻上面，減少對(duì)開(kāi)關(guān)的損壞。



3）續(xù)流二極管

想想，非同步Buck電路是不是就是因?yàn)檫@個(gè)原因，所以需要一個(gè)續(xù)流二極管？






當(dāng)開(kāi)關(guān)突然斷開(kāi)時(shí)，在芯片輸出管腳到負(fù)載端，由于存在實(shí)際走線長(zhǎng)度，存在寄生電感，產(chǎn)生感應(yīng)電壓，如下圖所示，VL=-20V，芯片Output端口為負(fù)壓，為了保護(hù)芯片輸出端口內(nèi)部的Diode，可以加入一個(gè)Schottky Diode，具體如下圖所示：





選擇Schottky Diode時(shí)，需要選擇盡量小的VF，讓其先于芯片內(nèi)部保護(hù)二極管導(dǎo)通，才能起到保護(hù)作用。