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如何準(zhǔn)確測量開關(guān)損耗?

如何準(zhǔn)確測量開關(guān)損耗?

作者:CEO 時間:2022-10-16

信息摘要:一個高質(zhì)量的開關(guān)電源效率高達95%,而開關(guān)電源的損耗大部分來自開關(guān)器件(MOSFET和二極管),所以正確的測量開關(guān)器件的損耗,對于效率分析是非常關(guān)鍵的。那我們該如何準(zhǔn)確測量開關(guān)損耗呢?一、開關(guān)損耗由于開關(guān)管是非理想型器件,其工作過程可劃分為四種狀態(tài),如圖1所示。“導(dǎo)通狀態(tài)”表示開關(guān)管處于導(dǎo)通狀態(tài);“

如何準(zhǔn)確測量開關(guān)損耗?

(如何準(zhǔn)確測量開關(guān)損耗?)

  一個高質(zhì)量的開關(guān)電源效率高達95%,而開關(guān)電源的損耗大部分來自開關(guān)器件(MOSFET和二極管),所以正確的測量開關(guān)器件的損耗,對于效率分析是非常關(guān)鍵的。那我們該如何準(zhǔn)確測量開關(guān)損耗呢?

  image.png

  一、開關(guān)損耗

  由于開關(guān)管是非理想型器件,其工作過程可劃分為四種狀態(tài),如圖1所示。“導(dǎo)通狀態(tài)”表示開關(guān)管處于導(dǎo)通狀態(tài);“關(guān)閉狀態(tài)”表示開關(guān)管處于關(guān)閉狀態(tài);“導(dǎo)通過程”是指開關(guān)管從關(guān)閉轉(zhuǎn)換成導(dǎo)通狀態(tài);“關(guān)閉過程”指開關(guān)管從導(dǎo)通轉(zhuǎn)換成關(guān)閉狀態(tài)。一般來說,主要的能量損耗體現(xiàn)在“導(dǎo)通過程”和“關(guān)閉過程”,小部分能量體現(xiàn)在“導(dǎo)通狀態(tài)”,而“關(guān)閉狀態(tài)”的損耗很小幾乎為0,可以忽略不計。

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  圖1開關(guān)管四種狀態(tài)劃分

  實際的測量波形圖一般如圖2示。

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  圖2開關(guān)管實際功率損耗測試

  二、導(dǎo)通過程損耗

  晶體管開關(guān)電路在轉(zhuǎn)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(shè)備立即開關(guān),該狀態(tài)的電壓與電流處于交變的狀態(tài),因此很難直接計算功耗,以往的做法,將電壓與電流認(rèn)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(zhǔn)確的。對于數(shù)字示波器來說,通過都會提供高級數(shù)學(xué)運算功能,因此可以使用下面的公式計算導(dǎo)通過程的損耗。

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  Eon表示導(dǎo)通過程的損耗能量

  Pon表示導(dǎo)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(guān)周期

  t0、t1表示導(dǎo)通過程的開始時間與結(jié)束時間

  關(guān)閉過程損耗

  關(guān)閉過程損耗與導(dǎo)通過程損耗計算方法相同,區(qū)別是積分的開始與結(jié)束時間不同。

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  Eoff表示關(guān)閉過程的損耗能量

  Poff表示關(guān)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(guān)周期

  t2、t3表示關(guān)閉過程的開始時間與結(jié)束時間

  三、導(dǎo)通損耗

  導(dǎo)通狀態(tài)下,開關(guān)管通常會流過很大的電流,但開關(guān)管的導(dǎo)通電阻很小,通常是毫歐級別,所以導(dǎo)通狀態(tài)下?lián)p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(dǎo)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(zhǔn)確測量導(dǎo)通時微小電壓。舉個例子,開關(guān)管通常關(guān)閉時電壓為500V,導(dǎo)通時為100mV,假設(shè)示波器的精度為±1‰(這是個非常牛的指標(biāo)),最小測量精度為±500mV,要準(zhǔn)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(dǎo)通時的微小電壓,無法準(zhǔn)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(dǎo)通時電流是很大的,所以能測量準(zhǔn)確,因此可以使用電流與導(dǎo)通電阻來計算損耗,如下面公式:

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  Econd表示導(dǎo)通狀態(tài)的損耗能量

  Pcond表示導(dǎo)通狀態(tài)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(guān)管的導(dǎo)通電阻,在開關(guān)管會給出該指標(biāo),如圖3所示

  Ts表示開關(guān)周期

  t1、t2表示導(dǎo)通狀態(tài)的開始時間與結(jié)束時間

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  圖3導(dǎo)通電阻與電流的關(guān)系

  四、開關(guān)損耗

  開關(guān)損耗指的是總體的能量損耗,由導(dǎo)通過程損耗、關(guān)閉過程損耗、導(dǎo)通損耗組成,使用下面公式計算:

  image.png

  五、開關(guān)損耗分析插件

  高端示波器通常亦集成了開關(guān)損耗分析插件,由于導(dǎo)通狀態(tài)電壓測量不準(zhǔn)確,所以導(dǎo)通狀態(tài)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(dǎo)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(zhǔn)的問題。

  一般建議使用I2R的公式,下圖是ZDS4000Plus的開關(guān)損耗測試圖。

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  圖4開關(guān)損耗測試結(jié)果圖

  六、總結(jié)

  開關(guān)損耗測試對于器件評估非常關(guān)鍵,通過專業(yè)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(dǎo)通損耗計算公式是最好的選擇。

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