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如何准确测量开关损耗?


  来源: ZLG致远测试 时间:2021-04-01 编辑:清风
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一个高质量的开关电源效率高达95%,而开关电源的损耗大部分来自开关器件(MOSFET和二极管),所以正确的测量开关器件的损耗,对于效率分析是非常关键的。那我们该如何准确测量开关损耗呢?


开关损耗


由于开关管是非理想型器件,其工作过程可划分为四种状态,如图1所示。“导通状态”表示开关管处于导通状态;“关闭状态”表示开关管处于关闭状态;“导通过程”是指开关管从关闭转换成导通状态;“关闭过程”指开关管从导通转换成关闭状态。一般来说,主要的能量损耗体现在“导通过程”和“关闭过程”,小部分能量体现在“导通状态”,而“关闭状态”的损耗很小几乎为0,可以忽略不计。


图1 开关管四种状态划分


实际的测量波形图一般如图2所示。


图2 开关管实际功率损耗测试


导通过程损耗


晶体管开关电路在转换过程中消耗的能量通常会很大,因为电路寄生信号会阻止设备立即开关,该状态的电压与电流处于交变的状态,因此很难直接计算功耗,以往的做法,将电压与电流认为是线性的,这样可以通过求三角形的面积来粗略计算损耗,但这是不够准确的。对于数字示波器来说,通过都会提供高级数学运算功能,因此可以使用下面的公式计算导通过程的损耗。



Eon表示导通过程的损耗能量;

Pon表示导通过程的平均损耗功率(有功功率);

Vds、Id分别表示瞬时电压和电流;

Ts表示开关周期;

t0、t1表示导通过程的开始时间与结束时间。


关闭过程损耗


关闭过程损耗与导通过程损耗计算方法相同,区别是积分的开始与结束时间不同。



Eoff表示关闭过程的损耗能量;

Poff表示关闭过程的平均损耗功率(有功功率);

Vds、Id分别表示瞬时电压和电流;

Ts表示开关周期;

t2、t3表示关闭过程的开始时间与结束时间。


导通损耗


导通状态下,开关管通常会流过很大的电流,但开关管的导通电阻很小,通常是毫欧级别,所以导通状态下损耗能量相对来说是比较少的,但亦不能忽略。使用示波器测量导通损耗,不建议使用电压乘电流的积分的来计算,因为示波器无法准确测量导通时微小电压。举个例子,开关管通常关闭时电压为500V,导通时为100mV,假设示波器的精度为±1‰(这是个非常牛的指标),最小测量精度为±500mV,要准确测量100mV是不可能的,甚至有可能测出来的电压是负的(100mV-500mV)。


由于导通时的微小电压,无法准确测量,所以使用电压乘电流的积分的方法计算的能量损耗误差会很大。相反,导通时电流是很大的,所以能测量准确,因此可以使用电流与导通电阻来计算损耗,如下面公式:



Econd表示导通状态的损耗能量;

Pcond表示导通状态的平均损耗功率(有功功率);

Id分别表示瞬时电流;

Rds(on)表示开关管的导通电阻,在开关管会给出该指标,如图2所示;

Ts表示开关周期;

t1、t2表示导通状态的开始时间与结束时间。


图3 导通电阻与电流的关系

关键词:测量 开关损耗 开关电源    浏览量:906

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