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                        如何準確的測量開關損耗

                        作者:時間:2019-06-27來源:電子產品世界收藏

                        一、開關損耗

                        本文引用地址:http://www.xinfa15808.cn/article/201906/401987.htm

                        由于開關管是非理想型器件,其工作過程可劃分為四種狀態,如圖1所示?!皩顟B”表示開關管處于導通狀態;“關閉狀態”表示開關管處于關閉狀態;“導通過程”是指開關管從關閉轉換成導通狀態;“關閉過程”指開關管從導通轉換成關閉狀態。一般來說,主要的能量損耗體現在“導通過程”和“關閉過程”,小部分能量體現在“導通狀態”,而“關閉狀態”的損耗很小幾乎為0,可以忽略不計。

                        1561614812539702.png1561614812272935.png

                        圖1  開關管四種狀態劃分

                        實際的測量波形圖一般如圖2示。

                        1561614848378678.png

                        圖2  開關管實際功率損耗測試

                        二、導通過程損耗

                        晶體管開關電路在轉換過程中消耗的能量通常會很大,因為電路寄生信號會阻止設備立即開關,該狀態的電壓與電流處于交變的狀態,因此很難直接計算功耗,以往的做法,將電壓與電流認為是線性的,這樣可以通過求三角形的面積來粗略計算損耗,但這是不夠準確的。對于數字示波器來說,通過都會提供高級數學運算功能,因此可以使用下面的公式計算導通過程的損耗。

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                        Eon表示導通過程的損耗能量

                        Pon表示導通過程的平均損耗功率(有功功率)

                        Vds、Id分別表示瞬時電壓和電流

                        Ts表示開關周期

                        t0、t1表示導通過程的開始時間與結束時間

                        關閉過程損耗

                        關閉過程損耗與導通過程損耗計算方法相同,區別是積分的開始與結束時間不同。

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                        Eoff表示關閉過程的損耗能量

                        Poff表示關閉過程的平均損耗功率(有功功率)

                        Vds、Id分別表示瞬時電壓和電流

                        Ts表示開關周期

                        t2、t3表示關閉過程的開始時間與結束時間

                        三、導通損耗

                        導通狀態下,開關管通常會流過很大的電流,但開關管的導通電阻很小,通常是毫歐級別,所以導通狀態下損耗能量相對來說是比較少的,但亦不能忽略。使用示波器測量導通損耗,不建議使用電壓乘電流的積分的來計算,因為示波器無法準確測量導通時微小電壓。舉個例子,開關管通常關閉時電壓為500V,導通時為100mV,假設示波器的精度為±1‰(這是個非常牛的指標),最小測量精度為±500mV,要準確測量100mV是不可能的,甚至有可能測出來的電壓是負的(100mV-500mV)。

                        由于導通時的微小電壓,無法準確測量,所以使用電壓乘電流的積分的方法計算的能量損耗誤差會很大。相反,導通時電流是很大的,所以能測量準確,因此可以使用電流與導通電阻來計算損耗,如下面公式:

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                        Econd表示導通狀態的損耗能量

                        Pcond表示導通狀態的平均損耗功率(有功功率)

                        Id分別表示瞬時電流

                        Rds(on)表示開關管的導通電阻,在開關管會給出該指標,如圖3所示

                        Ts表示開關周期

                        t1、t2表示導通狀態的開始時間與結束時間

                        1561614961398590.png

                        圖3  導通電阻與電流的關系

                        四、開關損耗

                        開關損耗指的是總體的能量損耗,由導通過程損耗、關閉過程損耗、導通損耗組成,使用下面公式計算:

                        1.png

                        五、開關損耗分析插件

                        高端示波器通常亦集成了開關損耗分析插件,由于導通狀態電壓測量不準確,所以導通狀態的計算公式是可以修改的,主要有三種:

                        UI,U和I均為測量值

                        I2R,I為測量值,R為導通電阻,由用戶輸入Rds(on)

                        UceI,I為測量值,Uce為用戶輸入的電壓值,用于彌補電壓電壓測不準的問題。

                        一般建議使用I2R的公式,下圖是ZDS4000 Plus的開關損耗測試圖。

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                        圖4  開關損耗測試結果圖

                        六、總結

                        開關損耗測試對于器件評估非常關鍵,通過專業的電源分析插件,可以快速有效的對器件的功率損耗進行評估,相對于手動分析來說,更加簡單方便。對于MOSFET來說,I2R的導通損耗計算公式是最好的選擇。



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