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开关损耗测试方案

关键字:电源开关损耗,电源效率,转换速率测量,优化开关式电源效率

测试需求:


  随着人们需要改善功率效率,延长电池供电的设备的工作时间,分析功率损耗及优化电源效率的能力比以前变得更加关键。效率中一个关键因素是开关器件的损耗。典型开关式电源的效率可能约为87%,也就是13%的输入功率在电源内部耗散了,主要以废热的形式。在这些损耗中,很大一部分耗散在开关器件处,通常是MOSFETs 或IGBTs。

  在实践中,某些功率是在“开”(传导)的状态过程中耗散的,而通常来说,在“开”和“关”(关闭)转换及在“关”和“开”(打开)转换期间耗散的功率要明显高得多。之所以发生这些不理想的特点,是因为电路中存在着寄生要素。如图1 所示,栅极上的寄生电容会降慢器件的开关速度,延长打开时间和关闭时间。在漏极电流流动时,MOSFET 漏极和源极之间的寄生电阻都会耗散功率。
开关损耗测试方案
图 1

  1. 传导损耗:在传导状态下,开关中的电阻和电压确实会有小的下降,开关耗散的功率与流经的电流有关。
  2. 打开损耗:在打开过程中,流经开关的电流迅速提高,器件中的电压下降迅速减少。。在器件将要打开时,会有明显的电流流经器件,器件中会有明显的电压,会发生明显的功率损耗。
  3. 关闭损耗:同样,在关闭过程中,流经开关的电流迅速下降,器件中的电压下降迅速提高,但电路寄生要素会阻止开关瞬时关闭。在器件将要关闭时,会有明显的电流流经器件,器件中会有明显的电压,会发生明显的功率损耗。

探测和测量设置


  在讨论具体功率测量前,进行准确的、可重复的测量有六个关键步骤:
  1. 消除电压偏置误差;
  2. 消除电流偏置误差;
  3. 消除定时误差;
  4. 优化信噪比;
  5. 信号调节;
  6. 精度和安全。

推荐配置:


  MSO 5示波器,5-WIN,5-PWR高级功率分析应用软件,TDP1000差分探头,TCP0030A电流探头

测量开关损耗


  本例中,我们使用MSO5000系列示波器进行测量,为了应对新的测试测量挑战,Tektronix也新推出了MSO 5系列示波器来应对更加复杂的问题,下载页面中也提供了其数据参数及测量方法。其中,差分电压探头采集MOSFET 的VDS,在图2 中用黄色显示。我们使用AC/DC 电流探头采集漏极电流,在图中用青色显示。采用HiRes采集模式,将垂直分辨率提高到大约16位。然后使用波形数学运算,把电流乘以电压,得到橙色瞬时功率波形。
开关损耗测试方案
图2. 选通功能自动测量MOSFET 开关中的关闭功率损耗。

  为提高平均功率测量的分辨率和可重复性,可以平均多次采集中的测量值,消除随机噪声的影响。在本例中,图2 画面左下角显示了得到的1000 多次关闭功率测量的平均值。
开关损耗测试方案
图3. DPOPWR 自动开关损耗测量

  DPOPWR 高级功率分析应用软件为开关损耗测量提供了定制自动设置功能,只需按一个按钮,就可以执行全套开关损耗功率和能量测量。
开关损耗测试方案
图4. DPOPWR 可以显示多个周期上打开过程中( 黄色轨迹)和关闭过程中( 红色轨迹) 电压相对于电流的关系,查看这些特点怎样随时间变化。这条电路的打开和关闭慢且均衡,因此示图是线性的。

  功率分析软件可以简便地设置转换速率测量,减少了测量结果中的变化,因为设计工程师会调节电路中的分量值。
开关损耗测试方案
图5. 自动测量MOSFET 栅极转换速率

  图5中的垂直光标之间所示,指数衰落与栅极驱动电路的输出阻抗、开关MOSFET 器件的寄生栅极电容和栅极的电路板电容有关。
开关损耗测试方案
图6. DPOPWR 自动开关损耗测量,显示结果得到明显改善。

  开关损耗测量是优化开关式电源效率的关键部分。通过使用优秀的测量技术及自动进行功率测量,可以简便、迅速、可重复地进行一系列复杂的开关损耗测量。

相关资料

  1. 应用指南:使用示波器测量电源开关损耗
  2. 应用指南:使用 5-PWR 应用软件进行电源测量和分析
  3. 技术资料:5 系列混合信号示波器(MSO)
  4. 技术资料:6 系列混合信号示波器(MSO)
  5. 技术资料:30A AC/DC 电流探头——TCP0030A
  6. 技术资料:1 GHz and 500 MHz High Voltage Differential Probes——TDP1000, TDP0500, P6251