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如何準(zhǔn)確測(cè)量開關(guān)損耗

作者:gengxin 時(shí)間:2022-04-15 點(diǎn)擊:0

信息摘要:一個(gè)高質(zhì)量的開關(guān)電源效率高達(dá)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(cè)量開關(guān)器件的損耗
,對(duì)于效率分析是非常關(guān)鍵的。那我們?cè)撊绾螠?zhǔn)確測(cè)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
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!皩?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...

如何準(zhǔn)確測(cè)量開關(guān)損耗?

如何準(zhǔn)確測(cè)量開關(guān)損耗

 

一個(gè)高質(zhì)量的開關(guān)電源效率高達(dá)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(cè)量開關(guān)器件的損耗
,對(duì)于效率分析是非常關(guān)鍵的
。那我們?cè)撊绾螠?zhǔn)確測(cè)量開關(guān)損耗呢?


image.png

 

、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
?div id="4qifd00" class="flower right">
!皩?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(jì)


image.png

圖1  開關(guān)管四種狀態(tài)劃分


實(shí)際的測(cè)量波形圖一般如圖2示。


image.png

圖2  開關(guān)管實(shí)際功率損耗測(cè)試


、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(huì)很大

,因?yàn)殡娐芳纳盘?hào)會(huì)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(jì)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(jì)算損耗
,但這是不夠準(zhǔn)確的。對(duì)于數(shù)字示波器來說
,通過都會(huì)提供高級(jí)數(shù)學(xué)運(yùn)算功能
,因此可以使用下面的公式計(jì)算導(dǎo)通過程的損耗。


image.png 

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(shí)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(shí)間與結(jié)束時(shí)間


關(guān)閉過程損耗


關(guān)閉過程損耗與導(dǎo)通過程損耗計(jì)算方法相同

,區(qū)別是積分的開始與結(jié)束時(shí)間不同。

image.png 

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(shí)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(shí)間與結(jié)束時(shí)間


三、導(dǎo)通損耗

導(dǎo)通狀態(tài)下

,開關(guān)管通常會(huì)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(jí)別
,所以導(dǎo)通狀態(tài)下?lián)p耗能量相對(duì)來說是比較少的
,但亦不能忽略。使用示波器測(cè)量導(dǎo)通損耗
,不建議使用電壓乘電流的積分的來計(jì)算
,因?yàn)槭静ㄆ鳠o法準(zhǔn)確測(cè)量導(dǎo)通時(shí)微小電壓。舉個(gè)例子
,開關(guān)管通常關(guān)閉時(shí)電壓為500V
,導(dǎo)通時(shí)為100mV,假設(shè)示波器的精度為±1‰(這是個(gè)非常牛的指標(biāo))
,最小測(cè)量精度為±500mV
,要準(zhǔn)確測(cè)量100mV是不可能的,甚至有可能測(cè)出來的電壓是負(fù)的(100mV-500mV)


由于導(dǎo)通時(shí)的微小電壓

,無法準(zhǔn)確測(cè)量,所以使用電壓乘電流的積分的方法計(jì)算的能量損耗誤差會(huì)很大
。相反
,導(dǎo)通時(shí)電流是很大的,所以能測(cè)量準(zhǔn)確
,因此可以使用電流與導(dǎo)通電阻來計(jì)算損耗
,如下面公式:


image.png 


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(shí)電流

Rds(on)表示開關(guān)管的導(dǎo)通電阻,在開關(guān)管會(huì)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(shí)間與結(jié)束時(shí)間


image.png

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(jì)算:

image.png 


、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(cè)量不準(zhǔn)確,所以導(dǎo)通狀態(tài)的計(jì)算公式是可以修改的
,主要有三種:


●  UI

,U和I均為測(cè)量值

●  I2R,I為測(cè)量值

,R為導(dǎo)通電阻
,由用戶輸入Rds(on)

●  UceI,I為測(cè)量值

,Uce為用戶輸入的電壓值
,用于彌補(bǔ)電壓電壓測(cè)不準(zhǔn)的問題。

一般建議使用I2R的公式

,下圖是ZDS4000 Plus的開關(guān)損耗測(cè)試圖。


image.png 

圖4  開關(guān)損耗測(cè)試結(jié)果圖


、總結(jié)

開關(guān)損耗測(cè)試對(duì)于器件評(píng)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(duì)器件的功率損耗進(jìn)行評(píng)估
,相對(duì)于手動(dòng)分析來說
,更加簡(jiǎn)單方便。對(duì)于MOSFET來說
,I2R的導(dǎo)通損耗計(jì)算公式是最好的選擇


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