MOSFET开关轨迹线的示波器重现方法

2008-05-23 18:19:02来源: 电子工程专辑

  MOSFET开关轨迹线是判断MOSFET开关过程“软硬”程度的重要评估指标,MOSFET的软硬程度对于开关电源的性能、寿命、EMI水平都有至关重要的影响,本文介绍了一种简单实用的方法,利用泰克TDS3000系列示波器,可以实时做出MOSFET的开关轨迹线,为改善MOSFET的开关状态提供依据。

  开关电源中的开关器件(本文以MOSFET为例)在任意时刻的损耗都可以用下式计算,







  其中,ID为开关器件的电流,UDS为电压。一般地,我们希望开关器件工作在饱和或截止状态。为减小开关损耗,在器件开关的动态过程中,总希望ID和UDS在任意时刻都至少有一个值接近或等于零。开关轨迹线可以很好的体现出开关器件的电流和电压的关系,开关轨迹线以MOSFET的漏源极电压UDS为横轴,漏极电流ID为纵轴,标示出MOSFET所承受的电流和电压的关系。典型开关轨迹线如图1所示:

  图1中a线表示了MOSFET的一次开通过程,UDS逐渐降低,ID逐渐升高;b线表示了一次关断过程,UDS逐渐升高,ID逐渐降低。但是这样的开关过程中存在电压和电流都很高的时刻,将会造成很大的开关损耗,这就是所谓的硬开关。硬开关不但增加了开关损耗,而且影响MOSFET的寿命,更造成复杂的EMI问题,所以我们通常希望开关过程尽量“软”一点。c、d线表示了一次理想的软开关过程,c线表示MOSFET开通时,漏源极电压下降到零,漏极电流才开始从零上升,d线表示MOSFET关断时,漏极电流先下降到零后,漏源极电压才开始上升。也就是说,开关轨迹线越是靠近坐标轴,开关过程就越“软”。

图1. 典型开关轨迹线

  开关轨迹线

  利用开关轨迹线,可以评估MOSFET的开关状态,为改善开关过程提供定量依据。本文介绍了一种利用TDS3000系列示波器,可以实时做出MOSFET的开关轨迹线,为改善MOSFET的开关状态提供指标。试验电路为常见的回扫(flyback)电路,如图2。CH1通道接电压探头,采样MOSFET漏极电压,CH2通道接电流探头,采样MOSFET的漏极电流。选择合适的水平和垂直标度,将触发电平设置到CH1上,可以得到如图3所示波形。

  这个波形只是表示出电压和电流随时间变化的情况,没有直观地体现电压和电流的相互关系。我们可以利用TDS示波器的XY显示模式,观察MOSFET的开关轨迹线。将TDS示波器调节到XY模式,调节CH1和CH2的幅值标度到合适位置,即可得到如图3.b所示波形。这个波形显示了一个完整的MOSFET开关周期中的电流电压的相互关系,也就是开关轨迹线。其中ABC为开通轨迹线,CDA为关断轨迹线。

  也可以将MOSFET的开通轨迹线单独显示在屏幕上,具体做法如下:将时域的波形逐渐拉宽,让整个屏幕只显示开通过程的波形(此时除了调节时间标度,还可能需要调节一下触发电平),使开通瞬间地电流电压波形处于屏幕正中间,如图4。

  此时,将示波器调节到XY模式下,即可可以看到MOSFET的开通轨迹线。在回扫电路中,由于MOSFET开通后,变压器原边电感限制漏极电流的突变,漏极电流从零上升,MOSFET是软开通。这个特性在开通轨迹线上,表现为电压先沿着或贴近X轴减小到零,漏极电流才开始上升。

图2. 被测试电路图

  同样的方法,可以观察到MOSFET的关断轨迹线。关断前,漏极电流正处于峰值电流出(此时,MOSFET的状态正处于开关轨迹线的C点)。关断过程中,漏极电流下降的同时,漏源极电压上升,从图5.b上看,表现为关断轨迹线位置很高。MOSFET是硬关断,关断损耗很大。并且,变压器原边漏感中的能量对MOSFET造成很大的电压冲击。

  利用开关轨迹线减小开关损耗

  由以上分析可知,开关轨迹线可以直观地反映MOSFET地开关损耗。我们总是希望MOSFET的开关损耗尽可能减小,为此,我们常常在MOSFET周围添加一些辅助电路,开关轨迹线可以帮助我们评估改善的效果。

  以图示的回扫电路为例,为了改善MOSFET的关断轨迹,在变压器原边绕组两端并联RC缓冲支路(如图6),限制MOSFET关断时漏极电压的上升速度。

  图6中所示,R=1kΩ,C=200pF,图7a~d为加入RC电路后的开关轨迹线。与之前的开关轨迹线相比,加入RC电路后,MOSFET的关断轨迹更靠近坐标轴了(图7.d)。这是因为在MOSFET关断瞬间,由于电容电压不能突变,依然保持输入电压,使得MOSFET上电压保持为零。随着电容C的放电,MOSFET的电压才逐渐升高。这样,就限制了MOSFET漏源极电压的上升速度,关断损耗得到减小,不过关断损耗的减小是以开通损耗的增加为代价的。这是由于MOSFET关断期间,电容C上电压为零,MOSFET开通瞬间,电容C通过电阻R和MOSFET充电引起的。从图7.c开通轨迹线上可以看出,MOSFET的开通轨迹线向“上”移动了,也就是说,漏源极电压还没下降到零时就有漏极电流流过了。

  应该权衡考虑开通损耗和关断损耗,选择适当的RC值。利用开关轨迹线可以方便地找到这个平衡点,以确保总损耗降至最低。

  本文总结:

  利用TDS3000系列示波器的XY显示模式,可以方便地重现MOSFET的开关轨迹线。利用这一功能,我们可以定量地了解回扫电路中MOSFET的开关情况,并为其吸收电路选择合理参数。这个方法也可以方便地应用到其他功率开关和电路拓扑中去。

  参考文献:

  林渭勋 现代电力电子电路 浙江大学出版社 2002

 

图3.a MOSFET电流电压波形

图3.b MOSFET的开关轨迹线

图4.a MOSFET的开通过程

图4.b MOSFET的开通轨迹线

图5:a)MOSFET的开通过程。

图5.b)MOSFET的开通轨迹线。

图6. 变压器原边并联RC缓冲电路

图7 关断缓冲电路的效果a. 开关电压电流波形

b. 开关轨迹线

c. 开通轨迹线

d. 关断轨迹线

关键字:MOSFET  损耗  开关  动态  截至  饱和

编辑:汤宏琳 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/Test_and_measurement/2008/0523/article_158.html
本网站转载的所有的文章、图片、音频视频文件等资料的版权归版权所有人所有,本站采用的非本站原创文章及图片等内容无法一一联系确认版权者。如果本网所选内容的文章作者及编辑认为其作品不宜公开自由传播,或不应无偿使用,请及时通过电子邮件或电话通知我们,以迅速采取适当措施,避免给双方造成不必要的经济损失。
论坛活动 E手掌握
微信扫一扫加关注
论坛活动 E手掌握
芯片资讯 锐利解读
微信扫一扫加关注
芯片资讯 锐利解读
推荐阅读
全部
MOSFET
损耗
开关
动态
截至
饱和

小广播

独家专题更多

TTI携TE传感器样片与你相见,一起传感未来
TTI携TE传感器样片与你相见,一起传感未来
TTI携TE传感器样片与你相见,一起传感未来
富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
富士通铁电随机存储器FRAM主题展馆
馆内包含了 纵览FRAM、独立FRAM存储器专区、FRAM内置LSI专区三大部分内容。 
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
走,跟Molex一起去看《中国电子消费品趋势》!
 
电子工程世界版权所有 京ICP证060456号 京ICP备10001474号 电信业务审批[2006]字第258号函 京公海网安备110108001534 Copyright © 2005-2016 EEWORLD.com.cn, Inc. All rights reserved