“開關(guān)”與“損耗”

人類社會要向著高效、節(jié)能、環(huán)保的方向前進，離不了開關(guān)電源技術(shù)和變頻技術(shù)的發(fā)展。開關(guān)模式電源(Switch Mode Power Supply，簡稱SMPS)，是一種高頻化電能轉(zhuǎn)換裝置，不同于線性電源，開關(guān)電源利用的切換晶體管多半是在全開模式(飽和區(qū))及全閉模式(截止區(qū))之間切換，這兩個模式都有低耗散的特點，切換之間的轉(zhuǎn)換會有較高的耗散，但時間很短，因此比較節(jié)省能源，產(chǎn)生廢熱較少。

在社會需求的推動下，開關(guān)電源每年以超過兩位數(shù)的增長率向著輕、小、薄、低噪聲、高可靠、抗干擾的方向發(fā)展。我們周圍各種各樣的電子產(chǎn)品，都蘊含了這一技術(shù)：變頻空調(diào)、變頻熒光燈、冰箱、馬達、音響和UPS等。這些電子產(chǎn)品的主控板都有微處理器，微處理器主要用來判斷負載條件，實現(xiàn)最優(yōu)控制。除了微處理器以外，主控板上還有許多電容、濾波器、變壓器、功率模塊等器件以及驅(qū)動電路。

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▲ 驅(qū)動電路框圖

通常功率電子電路包括功率電路和控制電路，功率電路由功率器件(MOSFET、IGBT等)、電感和電容等組成，控制電路是用來控制驅(qū)動電路的。

▲功率電路與控制電路框圖

這些電路中，利用半導體器件的高速開關(guān)動作控制電壓和電流輸出等的電路就叫開關(guān)電路。使用開關(guān)電路的電源，稱作開關(guān)電源 (開關(guān)器件通常采用MOSFET等)。目前市面上的 AC-DC, DC-DC和 DC-AC轉(zhuǎn)換器等都是開關(guān)電源。它的發(fā)展很大程度上取決于功率半導體器件(MOSFET, IGBT等)的發(fā)展。毫不夸張地說，沒有開關(guān)器件就沒有開關(guān)電源。而我們要測試開關(guān)損耗，就是要評價這些半導體器件和驅(qū)動電路上的功率參數(shù)。

1開關(guān)電路具有幾個顯著的特點：

- 小巧、輕便、高效

- 在較寬的電壓和電流輸出范圍內(nèi)仍具有較高的精度

- 負載變化時仍能保持較好的穩(wěn)定性

2開關(guān)電源的研發(fā)需要重點解決的幾個問題包括：

-減少開關(guān)損耗

-提高可靠性(確認ASO)

-EMC(抑制諧波電流和減少噪聲)

-降低成本

橫河混合信號示波器DLM3000的電源分析功能可以針對功率半導體器件和驅(qū)動電路進行評價，是解決這些問題強有力的工具。準確測量開關(guān)波形并計算開關(guān)損耗，對于改良產(chǎn)品使用壽命、優(yōu)化電源效率是極其重要的手段。

開關(guān)損耗測量方法

施加在開關(guān)半導體器件上的電壓會很高而且是浮地的，用數(shù)字示波器觀測這種波形性時需要選用差分探頭。使用示波器測量和計算開關(guān)損耗通常用差分探頭測量漏源極電壓(Vds)，電流探頭測量漏電流(ID) 。

根據(jù)開關(guān)器件工作過程的不同，開關(guān)損耗可定義如下：

開關(guān)打開過程的功耗：開啟損耗 (T1-T2)

開關(guān)關(guān)閉過程的功耗：關(guān)閉損耗 (T3-T4)

每個周期的損耗：總平均損耗 (T1-T4)

開啟損耗定義如下：

DLM3000根據(jù)U Level、I Level的設置決定損耗分析的區(qū)間，分成“開關(guān)” 區(qū)間(TurnOn,TurnOff)、損耗計算區(qū)間(On)三個部分分別計算。

測試范圍是兩條T Range光標指定的范圍內(nèi)，中間電平與電壓波形交叉點為基準周期計算，多個周期的也能進行測試。

周期內(nèi)零損耗區(qū)間與計算結(jié)果無關(guān)，只作為(零損耗)來分析。

損耗計算時間(ON)：電壓波形低于中間電平后波形低于"U Level",到波形高于中間電平之前波形高于"U Level"之間的時間。

零損耗時間：在相應損耗計算時間和下一個損耗計算時間之前，從波形經(jīng)過損耗計算時間中點后，電流波形首次低于"I Level"電平開始，到波形經(jīng)過中點之后首次超過"I Level"電平之間的時間。

開關(guān)時間：除以上兩個時間區(qū)域以外的時間。Turn on時間是電流波形上升時間，Turn off時間是電流波形下降的時間。

通道去延遲方法

由于測量電壓/電流使用不同類型的探頭,會對波形造成時間偏移，測量結(jié)果明顯偏高或偏低，而器件的開關(guān)速度越快，偏移的影響就越明顯。偏移校正夾具可以直接校正電壓探頭和電流探頭之間的時間偏移。其基本原理是夾具產(chǎn)生一組相位差為零的電壓和電流的脈沖信號同時作用在電壓和電流探頭上，通過示波器觀察脈沖信號經(jīng)過探頭后的時間偏移，并在示波器上校正偏移時間。

導通損耗測量方法

導通狀態(tài)下由于開關(guān)管導通電阻R(on)很小，通常毫歐級別，導通狀態(tài)下能量損耗相對較小，Vds較小，考慮到示波器8bit的分辨率，大量程下誤差超過實際電壓值，因此使用常規(guī)UI測量方式誤差非常大。

DLM3000的電源分析功能針對導通狀態(tài)下小電壓測量困難的問題，給出了三種導通損耗測量選項，可以根據(jù)實際情況，選擇合適的運算方式。

① U×I ：使用測量值（U,I）

② RDS(on)×I2：使用開關(guān)器件導通電阻(RDS(on))以及測量值(I）

③ VCE(sat)×I：開關(guān)器件集電極-發(fā)射級飽和電壓VCE(sat)以及測量值(I)

（下期預告：高階版應用——開關(guān)損耗測試的歷史存儲和周期統(tǒng)計）

審核編輯 黃宇