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開關損耗測試方案

關鍵字:電源開關損耗,電源效率,轉換速率測量,優化開關式電源效率

測試需求:


  隨著人們需要改善功率效率,延長電池供電的設備的工作時間,分析功率損耗及優化電源效率的能力比以前變得更加關鍵。效率中一個關鍵因素是開關器件的損耗。典型開關式電源的效率可能約為87%,也就是13%的輸入功率在電源內部耗散了,主要以廢熱的形式。在這些損耗中,很大一部分耗散在開關器件處,通常是MOSFETs 或IGBTs。

  在實踐中,某些功率是在“開”(傳導)的狀態過程中耗散的,而通常來說,在“開”和“關”(關閉)轉換及在“關”和“開”(打開)轉換期間耗散的功率要明顯高得多。之所以發生這些不理想的特點,是因為電路中存在著寄生要素。如圖1 所示,柵極上的寄生電容會降慢器件的開關速度,延長打開時間和關閉時間。在漏極電流流動時,MOSFET 漏極和源極之間的寄生電阻都會耗散功率。
開關損耗測試方案
圖 1

  1. 傳導損耗:在傳導狀態下,開關中的電阻和電壓確實會有小的下降,開關耗散的功率與流經的電流有關。
  2. 打開損耗:在打開過程中,流經開關的電流迅速提高,器件中的電壓下降迅速減少。。在器件將要打開時,會有明顯的電流流經器件,器件中會有明顯的電壓,會發生明顯的功率損耗。
  3. 關閉損耗:同樣,在關閉過程中,流經開關的電流迅速下降,器件中的電壓下降迅速提高,但電路寄生要素會阻止開關瞬時關閉。在器件將要關閉時,會有明顯的電流流經器件,器件中會有明顯的電壓,會發生明顯的功率損耗。

探測和測量設置


  在討論具體功率測量前,進行準確的、可重復的測量有六個關鍵步驟:
  1. 消除電壓偏置誤差;
  2. 消除電流偏置誤差;
  3. 消除定時誤差;
  4. 優化信噪比;
  5. 信號調節;
  6. 精度和安全。

推薦配置:


  MSO 5示波器,5-WIN,5-PWR高級功率分析應用軟件,TDP1000差分探頭,TCP0030A電流探頭

測量開關損耗


  本例中,我們使用MSO5000系列示波器進行測量,為了應對新的測試測量挑戰,Tektronix也新推出了MSO 5系列示波器來應對更加復雜的問題,下載頁面中也提供了其數據參數及測量方法。其中,差分電壓探頭采集MOSFET 的VDS,在圖2 中用黃色顯示。我們使用AC/DC 電流探頭采集漏極電流,在圖中用青色顯示。采用HiRes采集模式,將垂直分辨率提高到大約16位。然后使用波形數學運算,把電流乘以電壓,得到橙色瞬時功率波形。
開關損耗測試方案
圖2. 選通功能自動測量MOSFET 開關中的關閉功率損耗。

  為提高平均功率測量的分辨率和可重復性,可以平均多次采集中的測量值,消除隨機噪聲的影響。在本例中,圖2 畫面左下角顯示了得到的1000 多次關閉功率測量的平均值。
開關損耗測試方案
圖3. DPOPWR 自動開關損耗測量

  DPOPWR 高級功率分析應用軟件為開關損耗測量提供了定制自動設置功能,只需按一個按鈕,就可以執行全套開關損耗功率和能量測量。
開關損耗測試方案
圖4. DPOPWR 可以顯示多個周期上打開過程中( 黃色軌跡)和關閉過程中( 紅色軌跡) 電壓相對于電流的關系,查看這些特點怎樣隨時間變化。這條電路的打開和關閉慢且均衡,因此示圖是線性的。

  功率分析軟件可以簡便地設置轉換速率測量,減少了測量結果中的變化,因為設計工程師會調節電路中的分量值。
開關損耗測試方案
圖5. 自動測量MOSFET 柵極轉換速率

  圖5中的垂直光標之間所示,指數衰落與柵極驅動電路的輸出阻抗、開關MOSFET 器件的寄生柵極電容和柵極的電路板電容有關。
開關損耗測試方案
圖6. DPOPWR 自動開關損耗測量,顯示結果得到明顯改善。

  開關損耗測量是優化開關式電源效率的關鍵部分。通過使用優秀的測量技術及自動進行功率測量,可以簡便、迅速、可重復地進行一系列復雜的開關損耗測量。

相關資料

  1. 應用指南:使用示波器測量電源開關損耗
  2. 應用指南:使用 5-PWR 應用軟件進行電源測量和分析
  3. 技術資料:5 系列混合信號示波器(MSO)
  4. 技術資料:6 系列混合信號示波器(MSO)
  5. 技術資料:30A AC/DC 電流探頭——TCP0030A
  6. 技術資料:1 GHz and 500 MHz High Voltage Differential Probes——TDP1000, TDP0500, P6251