根據(jù)示波器測定MOSFET波形計(jì)算功率損耗

MOSFET/IGBT的開關(guān)損耗測驗(yàn)是電源調(diào)試中非常關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，但很多工程師對(duì)開關(guān)損耗的測量還停留在人工計(jì)算的感性認(rèn)知上，PFC MOSFET的開關(guān)損耗更是只能依據(jù)口口相傳的經(jīng)驗(yàn)反復(fù)摸索，那么如何用示波器測試MOS管功率損耗？

一般來說，開關(guān)管工作的功率損耗原理圖如圖 1所示，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，可以忽視不計(jì)。

開關(guān)波形的測定 

Figure 1 所示的是開關(guān)電路和波形監(jiān)視探頭。MOSFET 的漏- 源級(jí)間電圧使用差動(dòng)電圧探頭來測定，漏極電流則使用電流探 頭來測定。

Figure 2 所示的是各部位波形和功率損耗(陰影部分)。ton表示 Turn on 時(shí)間，toff 表示 Turn off 時(shí)間，這個(gè)區(qū)間中 VDS 和 ID 重 合部分發(fā)生開關(guān)損耗。由于電路中的感性負(fù)載，Turn on 時(shí) ID 會(huì)先開始變化，待電流變化結(jié)束后 VDS 才開始變化。Turn off 時(shí)與之相反，VDS 先開始變化，電圧變化結(jié)束后 ID才開始變化。 接下來 TON 是指 MOSFET 的 導(dǎo)通區(qū)間，ID 和 MOSFET 的導(dǎo) 通電阻會(huì)引起導(dǎo)通損耗的產(chǎn)生。 最新的示波器有可以將陰影部分自動(dòng)演算并顯示功率損耗的功 能，如果是沒有該功能的型號(hào)，就需要根據(jù)測定波形來計(jì)算。

接下來說明測定時(shí)的注意點(diǎn)。首先是示波器的采樣數(shù)。采樣數(shù) 較少的話，波形的詳細(xì)部分會(huì)有所遺漏，于是導(dǎo)致測定結(jié)果有誤差。需要將采樣點(diǎn)表示出來來確認(rèn)是否能正確追蹤波形。第 二個(gè)注意點(diǎn)，因?yàn)殡妶R探頭和電流探頭間的延遲時(shí)間特性不同， 測定波形中包含該延遲差所導(dǎo)致的誤差。如不予以修正，電壓和電流間的時(shí)間軸方向會(huì)錯(cuò)位、Figure 2 的陰影部分面積就不 正確了，會(huì)得出大于或小于實(shí)際的損耗值結(jié)果。為了去除這個(gè) 測定系統(tǒng)的延遲差，需要進(jìn)行糾偏修正 (de-skew)。方法請(qǐng)參考測量儀器操作手冊(cè)或測定器廠商的技術(shù)資料。

波形的近似計(jì)算

這里對(duì)測定波形用線性近似法來對(duì)各個(gè)時(shí)間范圍進(jìn)行分割從而 計(jì)算功率損耗。首先是計(jì)算 Turn on 和 Turn off 時(shí)間所消耗的 功率損耗 Pton,、Ptoff。功率損耗使用 Table 1 的近似算式來計(jì) 算。根據(jù)波形的形狀不同計(jì)算式也各自不同，因此需選擇與測定波形相近的算式。

Figure 3 所示的是波形的一個(gè)例子，Turn on 時(shí)波形分為 2 份，前半部份(ton1)使用 Table 1 的 Case2，其條件使用 ID1?0 的式子。后半部分(ton2)使用 Case3、VDS2?0 的式子。Figure 3 中VDS2(on)是 MOSFET 的導(dǎo)通電阻和 ID 引起的電圧差，若與 VDS 的 High 電圧相比很小的話可視為 0。作為結(jié)果，Turn on 時(shí)的功率損耗可用下式來近似計(jì)算：

同樣，也將 Turn off 時(shí)的波形分為 2 份，前半部分(toff1)使用 Case1、VDS1?0 的式子。后半部分(toff2)使用 Case8、ID2?0 的 式子。Figure 3 的 VDS1(off)也是前述相同的理由產(chǎn)生的電圧，若 與 VDS 的 High 電圧相比很小的話可視為 0。作為結(jié)果，Turn off 時(shí)的功率損耗可用下式來近似計(jì)算：

接下來計(jì)算的是導(dǎo)通時(shí)消耗的功率損耗。Figure 4 所示的 是計(jì) 算導(dǎo)通損耗的波形的一個(gè)例子。由于 TON 區(qū)間內(nèi) MOSFET 是 導(dǎo)通狀態(tài)，VDS 是 MOSFET 導(dǎo)通電阻與 ID的乘積。導(dǎo)通電阻的 值請(qǐng)參考 datasheet。選擇 Table 2 的波形的形狀相近的算式， 用近似算式來計(jì)算功率損耗。 這個(gè)例子使用的是 Table 2 的 Case1。導(dǎo)通損耗可根據(jù)下式來 計(jì)算：

接下來是 MOSFET 在 OFF 時(shí)的功率損耗。Figure 4 所示的是 TOFF 的區(qū)間，MOSFET 在 OFF 時(shí) ID 十分小因此功率損耗視為 0。 MOSFET 的功率損耗以上計(jì)算出的功率損耗的總和。

根據(jù)實(shí)測開關(guān)波形(Figure 5)計(jì)算功率損耗。 Turn on時(shí)、導(dǎo)通時(shí)和Turn off 時(shí)的波形放大分別如 Figure 6、 7、8 所示：

Figure 5. 功率損耗的計(jì)算所使用的開關(guān)波形 羅姆制造 SiC MOSFET SCT3040KR 開關(guān)頻率 200kHz

Figure 6 是 Turn on 時(shí)的波形放大。由于波形中途斜率發(fā)生變 化，以大致相同的斜率來分割區(qū)間，由于波形較為復(fù)雜，劃分 方式會(huì)比較主觀。讀出各個(gè)區(qū)間的開始電圧和電流、結(jié)束電圧 和電流、時(shí)間，數(shù)值代入 Table 1 的式(A)中求得損耗功率。 Turn on 時(shí)的計(jì)算例如下面所示，分割為編號(hào) t1~t5 的各個(gè)區(qū)間。

Figure 7 是導(dǎo)通時(shí)的波形放大。這里是代入到 Table 1 的式(E) 中計(jì)算的損耗功率。MOSFET 的導(dǎo)通電阻使用 datasheet 中的最大值。