选择合适的过流限制晶体管降低设备电源故障率

有一天，我的老板告诉我，我们的一台 5 kW DC 到三相 AC 逆变器的服务电话太多，并让我看看我能做些什么来降低故障率。

有问题的逆变器用于为空气制动压缩机供电。它大约有两个大微波炉粘在一起的大小。空气压缩机对于使用空气制动系统的地铁车厢的正常运行至关重要 [1]。在这个系统中，气压被用来控制火车上所有车厢的刹车。当压缩机逆变器发生故障时，压缩机无法将空气泵入制动储气罐，整个列车必须停止使用进行维修。

逆变器被送回我们工厂进行维修。一种故障模式脱颖而出，占所有维修的 16%。故障最多的部分是一个小信号晶体管——逆变器故障报警电路的一部分。该电路驱动火车线路并点亮驾驶员状态面板上的空气压缩机故障灯。

火车线路是一条通往一列火车中所有车厢的线路。有控制列车线路和报警列车线路。故障列车线点亮了列车所有车厢驾驶室中的白炽灯(车厢设计来自 1990 年代中期)。在火车上总共有六盏灯连接到那条线上。

我回到车间，向技术人员询问故障零件。他们告诉我，故障部件在维修后被丢弃。我能接触到的只有原理图。

我分析了电路。一个隔离的集电极开路信号驱动 Q1 的基极，一个 10 kΩ 的上拉电阻 R1 连接到电池电压。晶体管 Q1 是类似于 TIP122 的 NPN 达林顿晶体管。达林顿集电极 Q1C 连接到电池电源 74 V，其发射极 Q1E 连接到电流感应电阻器 R21，700 毫欧。最后一个二极管 D1 连接到火车线路。限流晶体管 Q2B 的基极连接到 Q1E-R2 节点，Q2 的发射极连接到 R2-D1 阳极。晶体管 Q2 的集电极连接到 Q1 的基极。这是一个标准的电流限制器电路 [2] [3]。最失败的晶体管是 Q2，它与 MPSA42 相似。

白炽灯具有显着的开启浪涌电流。热丝电阻和冷丝电阻之间的比率在 12:1 和 18:1 之间变化 [4]。该限流电路可保护晶体管 Q1 免受短路和灯开启电流过载的影响。

问题是：是什么导致 Q2 失败?

可能是因为集电极到发射极的电压太高了吗?不，Q2 的集电极连接到 Q1 的基极，Q1 的发射极连接到 R2 的底部。最大 Vce 是 Vbe 的三倍，或约 2.1 V。晶体管 Q2 的最大 Vceo 为 300 V。同样的推理适用于只有两个 Vbe 下降的 Q2 Vcbo。

Q2 会因为集电极电流太大而失效吗?不可以，上拉电阻结合电池电压最多只能提供 7.4 mA，Q2 的最大持续集电极电流为 500 mA。

Q2 会因为功耗过大而失效吗?不，最大集电极到发射极电压为 2.1 V，最大电流为 7.4 mA，峰值功耗小于 20 mW，Q2 的最大额定值为 625 mW。

Q2 会因为反向电流或电压而失效吗?不，二极管 D1 可以防止这种情况。

剩下的唯一故障原因是流入 Q2 的基极电流过大。制造商的规格中很少给出最大允许基极电流。我发现的一个来源是 2N3904(采用 TO-92 封装的晶体管)，峰值基极电流的最大值为 100 mA [5]。

在这个电路中，流入 Q2 的基极电流怎么会如此之高?晶体管不会立即切换状态。随着 Q1 开启并饱和，如果发生短路，Q2 开启和 Q1 关闭需要时间。显然，这些延迟使得 Q2 中的基极电流可能高于 100 mA 并造成永久性损坏。在 Q2 打开且 Q1 关闭之前，除了由 0.7 欧姆电阻组成的电路电阻外，没有任何东西限制电路中的电流。增加问题的是基极-发射极电压和基极电流之间的指数关系。Q2 中基极-发射极电压增加 60 mV 会导致其基极电流增加 10 倍 [6]。

我如何将基极电流限制到 Q2?解决方案很简单：插入一个与 Q2 基极串联的小电阻。

这会改变电流限制设置吗?计算表明，与 Q2 的基极串联的 220 欧姆电阻器使限制电流值增加了 6%，这是可接受的。当 Q1 无法将集电极与发射极短路时，该电阻器还将保护 Q2。

为了简化维修，我选择了一个带有内置基极电阻的晶体管，其引脚与原来的相同。唯一的变化是零件清单和原理图;PCB 上不需要修改。

我通知我的老板，我会要求所有进入车间的设备都进行改造。他同意我的看法。我提出了一个要求，当一个单元返回服务时，晶体管 Q2 将被更换为新部件，无论 Q2 是否正常工作。在那之后，没有一个修改过的单元返回一个失败的 Q2。

经验教训是： 1) 小心无限电流进入 BJT 基端;2) 额定值不是无限的，并不是因为数据表中没有对器件能力进行限制，而且;3) 始终将故障部件放在手边，以防需要进一步分析。