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开关损耗测试方案详解（基础篇）

2021-03-02 16:23:21·  来源：横河测试测量  作者：YOKOGAWA  
　
“开关”与“损耗” 人类社会要向着高效、节能、环保的方向前进，离不了开关电源技术和变频技术的发展。开关模式电源(Switch Mode Power Supply，简称SMPS)，是一种高频化电能转换装置，不同于线性电源，开关电源利用的切换晶体管多半是在全开模式(饱和区)及
“开关”与“损耗”

人类社会要向着高效、节能、环保的方向前进，离不了开关电源技术和变频技术的发展。开关模式电源(Switch Mode Power Supply，简称SMPS)，是一种高频化电能转换装置，不同于线性电源，开关电源利用的切换晶体管多半是在全开模式(饱和区)及全闭模式(截止区)之间切换，这两个模式都有低耗散的特点，切换之间的转换会有较高的耗散，但时间很短，因此比较节省能源，产生废热较少。

在社会需求的推动下，开关电源每年以超过两位数的增长率向着轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。我们周围各种各样的电子产品，都蕴含了这一技术：变频空调、变频荧光灯、冰箱、马达、音响和UPS等。这些电子产品的主控板都有微处理器，微处理器主要用来判断负载条件，实现最优控制。除了微处理器以外，主控板上还有许多电容、滤波器、变压器、功率模块等器件以及驱动电路。


▲ 驱动电路框图
通常功率电子电路包括功率电路和控制电路，功率电路由功率器件(MOSFET、IGBT等)、电感和电容等组成，控制电路是用来控制驱动电路的。
▲功率电路与控制电路框图
这些电路中，利用半导体器件的高速开关动作控制电压和电流输出等的电路就叫开关电路。使用开关电路的电源，称作开关电源 (开关器件通常采用MOSFET等)。目前市面上的 AC-DC, DC-DC和 DC-AC转换器等都是开关电源。它的发展很大程度上取决于功率半导体器件(MOSFET, IGBT等)的发展。毫不夸张地说，没有开关器件就没有开关电源。而我们要测试开关损耗，就是要评价这些半导体器件和驱动电路上的功率参数。
 
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1、开关电路具有几个显著的特点：
- 小巧、轻便、高效
- 在较宽的电压和电流输出范围内仍具有较高的精度
- 负载变化时仍能保持较好的稳定性
 
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2、开关电源的研发需要重点解决的几个问题包括：
-减少开关损耗
-提高可靠性(确认ASO)
-EMC(抑制谐波电流和减少噪声)
-降低成本
 
横河混合信号示波器DLM3000的电源分析功能可以针对功率半导体器件和驱动电路进行评价，是解决这些问题强有力的工具。准确测量开关波形并计算开关损耗，对于改良产品使用寿命、优化电源效率是极其重要的手段。
  
开关损耗测量方法
 
施加在开关半导体器件上的电压会很高而且是浮地的，用数字示波器观测这种波形性时需要选用差分探头。使用示波器测量和计算开关损耗通常用差分探头测量漏源极电压(Vds)，电流探头测量漏电流(ID) 。
 
根据开关器件工作过程的不同，开关损耗可定义如下：
  1. 开关打开过程的功耗：开启损耗 (T1-T2)
  2. 开关关闭过程的功耗：关闭损耗 (T3-T4)
  3. 每个周期的损耗：总平均损耗 (T1-T4)
开启损耗定义如下：
  • DLM3000根据U Level、I Level的设置决定损耗分析的区间，分成“开关” 区间(TurnOn,TurnOff)、损耗计算区间(On)三个部分分别计算。
  • 测试范围是两条T Range光标指定的范围内，中间电平与电压波形交叉点为基准周期计算，多个周期的也能进行测试。
  • 周期内零损耗区间与计算结果无关，只作为(零损耗)来分析。
  • 损耗计算时间(ON)：电压波形低于中间电平后波形低于"U Level",到波形高于中间电平之前波形高于"U Level"之间的时间。
  • 零损耗时间：在相应损耗计算时间和下一个损耗计算时间之前，从波形经过损耗计算时间中点后，电流波形首次低于"I Level"电平开始，到波形经过中点之后首次超过"I Level"电平之间的时间。
  • 开关时间：除以上两个时间区域以外的时间。Turn on时间是电流波形上升时间，Turn off时间是电流波形下降的时间。
通道去延迟方法
由于测量电压/电流使用不同类型的探头,会对波形造成时间偏移，测量结果明显偏高或偏低，而器件的开关速度越快，偏移的影响就越明显。偏移校正夹具可以直接校正电压探头和电流探头之间的时间偏移。其基本原理是夹具产生一组相位差为零的电压和电流的脉冲信号同时作用在电压和电流探头上，通过示波器观察脉冲信号经过探头后的时间偏移，并在示波器上校正偏移时间。
导通损耗测量方法
 
导通状态下由于开关管导通电阻R(on)很小，通常毫欧级别，导通状态下能量损耗相对较小，Vds较小，考虑到示波器8bit的分辨率，大量程下误差超过实际电压值，因此使用常规UI测量方式误差非常大。
 
DLM3000的电源分析功能针对导通状态下小电压测量困难的问题，给出了三种导通损耗测量选项，可以根据实际情况，选择合适的运算方式。
① U×I ：使用测量值（U,I）
② RDS(on)×I2：使用开关器件导通电阻(RDS(on))以及测量值(I）
③ VCE(sat)×I：开关器件集电极-发射级饱和电压VCE(sat)以及测量值(I)

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