一、電感特性：電感的電流是連續的

電感電流是連續的，這是由電感的基本特性決定的。下面從原理和數學兩個角度為你詳細解釋并證明：

原理角度

電感是一種能夠儲存和釋放磁場能量的元件，其儲存的磁場能量表達式為，其中是磁場能量，是電感系數，是通過電感的電流。

根據能量守恒定律，能量不能突變。因為電感儲存的磁場能量與電流的平方成正比，如果電流發生突變，意味著在極短的時間內電感儲存的能量也會發生突變。但在現實中，能量的變化需要一定的時間來完成，不可能瞬間改變。能量不能瞬移，能量瞬移則需要無窮大的功率。所以，電感中的電流不能突變，即電流是連續變化的。

數學角度

根據法拉第電磁感應定律和電感的定義，電感兩端的電壓與通過電感的電流之間的關系為，其中為電感值，表示電流隨時間的變化率。

對上述公式進行變形，得到電流變化量與電壓和時間的關系：

在實際電路中，電感兩端的電壓是有限值。當時間間隔趨近于零時（也就是在一個瞬間），積分的值也趨近于零。所以有：
這表明在一個瞬間內電流的變化量為零，即電流不能發生突變，是連續的。

綜上所述，無論是從物理原理的能量守恒角度，還是從數學推導的角度，都能證明電感電流是連續的。

實際電路分析

開關閉合時電流從直流電壓源正端流出，在此導通期間，圖中電感上端電壓高于其下端電壓。此后，開關斷開，輸入直流電壓源與電感斷開，電流要保持連續，且與原方向保持一致，因此在開關關斷期間，可將電感視為一個電壓源，維持電流連續。因此，圖中用灰線在電感兩端標示了一假想電壓源（電池模型），其極性符合電流從電壓源正極流出的規則。這使電感下端高于其上端電壓?？梢?，為維持電流連續，電感電壓需發生反向。

二、開關斷開，可能產生的現象

當用機械開關把電感的電流突然切斷時，會出現以下現象：

1. 產生高電壓：根據電磁感應定律（法拉第電磁感應定律），（其中是感應電動勢，是電感，是電流的變化率）。當機械開關突然切斷電感電流時，電流在極短時間內從一定值變為零，電流變化率很大，且為負值。由于電感為定值，所以會在電感兩端產生一個很高的反向感應電動勢。這個電動勢的方向是試圖維持原來的電流方向，以阻礙電流的突然變化。

2. 開關觸點間產生電弧：由于電感兩端產生了高電壓，而機械開關斷開瞬間，觸點之間的空氣在高電壓作用下會被擊穿，形成導電通道，產生電弧。電弧是一種氣體放電現象，它能夠持續導通電流，使得電感中的能量得以繼續釋放。這是因為電弧中的高溫等離子體具有良好的導電性，可以在一定程度上維持電流的流動，直到電感中的磁場能量消耗殆盡。

   
   

   在機械開關斷開瞬間，由于電感兩端產生的高電壓擊穿觸點間空氣形成電弧，此時電弧會釋放出大量的熱量，使得觸點附近的溫度急劇升高。

   起初，能夠看到開關觸點之間出現明亮刺眼的弧光，伴隨著強烈的光線和 “噼啪” 作響的放電聲音。隨著電弧持續存在，電弧產生的高溫不斷作用于觸點。如果電弧能量足夠大、持續時間較長，觸點的金屬材料會先開始軟化，原本平整光滑的觸點表面逐漸失去光澤，變得凹凸不平。

   接著，隨著溫度進一步升高，達到觸點金屬材料的熔點后，金屬開始熔化，呈現出液態的金屬滴。這些液態金屬滴可能會在電弧力和重力的作用下，從觸點上滴落下來。同時，由于金屬的熔化和蒸發，觸點的質量會逐漸減小，形狀也會發生明顯改變，比如觸點的厚度變薄、邊緣變得不規則。

   在電弧熄滅后，原本金屬質地的觸點可能會殘留一些黑色或其他顏色的氧化物（取決于觸點材料和周圍環境），表面變得粗糙且可能有孔洞或裂縫，這是因為在高溫下金屬與空氣中的氧氣發生了化學反應，并且部分金屬被蒸發或濺射出去了。如果觸點融化較為嚴重，可能會導致開關無法正常閉合或導通電流，使整個電路出現故障。

   

3. 可能損壞電路元件：高電壓不僅會在開關觸點間產生電弧，還可能對電路中的其他元件造成損害。例如，可能會擊穿與電感相連的電子元件的絕緣層，導致元件損壞；或者超過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產生較強的電磁輻射，形成電磁干擾（EMI）。這種電磁干擾可能會影響周圍其他電子設備的正常工作，例如導致附近的通信設備出現信號干擾、數據傳輸錯誤等問題。

三、機械開關VS電子開關，切斷電感電流的區別

機械開關切斷電感電流

1. 現象：

• 電弧放電：當機械開關觸點分離時，電感試圖維持電流，導致觸點間電壓急劇升高，擊穿空氣形成電弧。電弧會持續到電感能量釋放完畢或觸點間距足夠大。

• 觸點損壞：電弧的高溫會燒蝕開關觸點，縮短機械開關壽命。

• 電磁干擾（EMI）：電弧產生高頻噪聲，干擾周圍電子設備。

• 典型應用場景：機械開關（如繼電器、斷路器）直接切斷感性負載（如電機、電磁閥）時，必須設計滅弧裝置（如磁吹滅弧、滅弧柵）或并聯保護元件（如RC緩沖電路、壓敏電阻）。

  
  

電子開關（MOSFET）切斷電感電流

1. 現象：

• 電壓尖峰：MOSFET關斷速度極快（納秒級），導致電流變化率（didt）極大，從而在漏源極（D-S）間產生高壓尖峰。

• 器件擊穿：若電壓尖峰超過MOSFET的耐壓值（VDSS），會導致器件擊穿損壞。

• 無電?。喊雽w開關無物理觸點，避免了電弧問題。

• 關鍵保護措施：

• 續流二極管：在電感兩端反向并聯二極管（續流二極管），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/穩壓管：瞬態電壓抑制器或齊納二極管可鉗位過壓。




機械開關 vs. 電子開關對比

特性	機械開關	電子開關（MOSFET）
關斷速度	慢（毫秒級）	快（納秒級）
電弧風險	高（需滅弧設計）	無
電壓尖峰	較低（因關斷速度慢）	極高（需外部保護電路）
壽命	有限（觸點磨損）	長（無機械磨損）
典型保護措施	滅弧裝置、RC電路、壓敏電阻	續流二極管、RC緩沖、TVS/穩壓管







四、解決方案

1）泄放二極管

開關閉合時，由于二極管單向導通特性，不會對主通路產生影響；

開關斷開后，電感產生的感應電動勢上負下正，通過并聯的二極管泄放電壓，來減少對開關的損傷。



二極管必須能夠承受關斷時的初始電流，該初始電流等于開關閉合時流經電感的穩態電流。此外，二極管的額定電壓需要能夠承受正電壓電平和負電壓電平之間的變化幅度。一條經驗法則是，選擇額定電流至少達到電感線圈所汲取電流大小、且額定電壓至少為負載工作電壓兩倍的二極管。

此種方案的缺點是泄放感應電動勢時間過長，所以可以采用Zener Diode并聯在電感負載兩側，電感電流迅速消失。






2）RC消火花電路

如下圖所示，采用RC串聯電路，與開關進行并聯，這樣感應電動勢可以消耗在電容和電阻上面，減少對開關的損壞。



3）續流二極管

想想，非同步Buck電路是不是就是因為這個原因，所以需要一個續流二極管？






當開關突然斷開時，在芯片輸出管腳到負載端，由于存在實際走線長度，存在寄生電感，產生感應電壓，如下圖所示，VL=-20V，芯片Output端口為負壓，為了保護芯片輸出端口內部的Diode，可以加入一個Schottky Diode，具體如下圖所示：





選擇Schottky Diode時，需要選擇盡量小的VF，讓其先于芯片內部保護二極管導通，才能起到保護作用。