是什么阻止了反冲电压达到无限电压?

电器工程 电压 电感器 飞回来 回扣
2022-01-29 20:27:15

我们知道电感上的电压由以下公式定义:

\$V = L * \frac {di}{dt} \$

因此,在电流突然中断的情况下(例如机械触点打开时),现实生活中会出现电压尖峰。

然而,情况并非总是如此:我们看不到电弧发生在小电感负载中。(例如,小电感负载是指玩具汽车电机。)但是,公式表明当机械触点打开时 \$ \frac{di}{dt} \$ 项应该接近无穷大,因此 \$L \$ 项(在小感性负载中应该很小)不应该有显着的影响。简单地说,我们应该能够在任何时候打开任何电感负载时看到火花——与电感无关。

阻止电压达到无穷大的实际因素是什么?电流实际上下降得更慢,还是公式可能不足以应对这种“不连续性”?

4个回答

一个真正的电感器看起来像这样(下图是一个有 4 个线圈的电感器),每个线圈之间都有少量(通常在 pF-fF 范围内)电容。每根电线也有一些与之相关的电阻。

因为电感器中的每个线圈都有电阻(如果考虑一个线圈,则为每一段导线),这会阻碍电流并降低电压。少量的电容也将存储一些电压并防止电压的瞬时变化。

这些都吸收能量,防止存储在电感器周围的电动势 (EMF) 产生无限电压。电感器实际上可以简化为如下左图所示的电路。

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图

由于寄生效应的损耗要低得多,超导线圈将能够产生更大的电压。

任何能量存储系统(电感器)都具有非零尺寸。

任何非零尺寸的东西都具有非零电场或电容。器件结通常是寄生电容的主要来源。反激系统使用二极管将能量传输到负载电容器中。

在峰值电压偏移时,所有的感应能量 (1) 已被消散为热量 (2) 被辐射为电磁场 (3) 存储在有意电容和寄生电容的电场中。

由于“开关”打开时的串联电容,串联电阻与“反冲”电压有很大关系。这形成了一个经典的串联 RLC 谐振电路,该电路具有通过阻抗比获得电压增益的特性

\$Q=\dfrac{|X_C|}{R} = \dfrac{|X_L|}{R}=\dfrac{\omega _0 L}{R}\$ 在谐振频率 \$\omega _0= \dfrac {1}{\sqrt{LC}}\$

对于反冲电压峰值的情况,可以证明\$|V_p| = Q * V_{dc}\$ 表示品质因数、Q(上图)和某个谐振频率下的环路电源电压 Vdc。

当 t 变为 0,V/L=dI/dt 使带有接触开关的电路断电时,由于这种寄生电容,V 不会变为无穷大。

例子

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图

例如,考虑一个串联电路,Vdc=1V,L=1uH,R=1 Ohms,Idc=1A如果Csw = 1pF ,刚打开时的开关电压反冲是多少?

1V , 100V, 1kV, 1e6 V 还是无限?

现在考虑对于具有 1nF 输出电容且 RdsOn << 1% 的 R=1 的 FET 开关也是如此。什么是 dV?

ps如果你学到了一些东西,然后评论你的答案。

直观的答案是,开关从导体变为一个微小的杂散电容器,这限制了电压的转换速率,电感器也限制了电流的转换速率,并且在它们的谐振频率下,电压增益 Q 在 ω0 是相反的与 R 成正比,因此更大的系列 R 会抑制电压。

答案 \$ V_p= I_{dc} \sqrt{\dfrac{L}{C}} \$ = 1A * √(1uH/1pF)= 1kV

杂项

可以证明开路阻抗就像传输线“特性阻抗” \$ Zo= \sqrt{\dfrac{L}{C}} \$

我们看到电压反冲看起来像欧姆定律。\$ V_p = I_{dc}*Z_0\$ 峰值电压 Vp,由中断感应电流产生,\$I_{dc}\$。

只需考虑一个 100 uH 和 1 amp 电流的简单示例。当与电感器串联的触点打开时,电感器上可能会留下 5 pF 的寄生电容,而这 1 安培会产生高反冲电压,但有多少呢?

$$I = C\dfrac{dV}{dt}$$

因此,5 pF 电容器两端的电压可能(没有双关语)可能以 200 kV/微秒的速率上升。鉴于它的启动电压相比之下可能可以忽略不计,在几微秒内可能会产生相当大的电压。然而,电感器中存储的能量不足可以缓解这种情况:-

$$W = \dfrac{L\cdot I^2}{2}$$

或 5 微焦耳。所有这些能量将循环转移到电容器,我们可以将电容器能量公式等同于 5 uJ,从而为我们提供最大电压:-

$$W = \dfrac{C\cdot V^2}{2}$$

这会产生 1414 伏的峰值电容器电压。