开关电源中开关管的功耗测量分析
开关电源中IGBT损耗简单测量方法
开关电源中IGBT 损耗简单测量方法摘要: 文中介绍的损耗测量分析方法简单而有效，可以使设计者对IGBT 的选择和热设计作到心中有数，以利于得出最优的设计方案。
需要提请注意的是，测量工具及辅助电路的标准是非常必要的，否则可能导致较大的误差。
在任何装置中使用IGBT 都会遇到IGBT 的选择及热设计问题。
当电压应力和电流应力这2 个直观参数确定之后，最终需要根据IGBT 在应用条件下的损耗及热循环能力来选定IGBT。
通常由于使用条件不同，通过IGBT 数据手册给出的参数不能确切得出应用条件下IGBT 的损耗。
比较好的方法是通过测量行业确定IGBT 数据手册中参数的测量条件与实际应用环境的差别，并介绍IGBT 的损耗的简单测量方法。
IGBT 参数的定义厂商所提供的IGBT 开关参数通常是在纯感性负载下测量的，图1 和图2 分别是IR 公司和TOSHIBA 公司测量开关时间的电路和定义开关时间的波形。
其共同特点是：开通处于续流状态的纯感性负载；关断有箝位二极管的纯感性负载。
有些数据手册还给出了开关过程的能量损失，也是在同样条件下测量的。
对于PWM 方式工作并使用变压器的开关电源，其工作情况则与之区别很大。
图3 是11 kW 半桥型电路及其工作波形，使用的IGBT 为GA75TS120U。
由波形可见，电流上升时间tr 约为500 ns，下降时间t f 约为300 ns。
但在数据手册中，GA75TS120U 的电流升降时间分别为t r＝100 ns，t f＝80 ns，与实际工作情况差异较大。
其原因主要在于以下2 个方面：（1）开通时，图3 中由于变压器漏感的存在，IGBT 实际上开通了1 个零电流感性负载，近似于零电流开通，电流上升率受漏感充电速度的限制，因而实际电流上升时间tr 不完全取决于IGBT。
而数据手册中给出开通处于续流状态的纯感性负载，开通瞬间，IGBT 既要承受电感中的电流，还要承受续流二极管的反向恢复电流，电流上升率则完全取决于IGBT 的开通速度。
开关电源32个检测项目检测方法与检测设备
开关电源32个检测项目检测方法与检测设备开关电源是现代电子产品中常见的电源类型，它具有功率转化效率高、体积小、重量轻、使用方便等优点。
为了确保开关电源的质量和性能，需要进行一系列的检测项目。
1.输入电压范围测试：通过改变电源输入电压进行测试，判断开关电源在不同电压范围内的输出情况。
检测方法为改变输入电压并观察输出电压变化，检测设备为数字电压表。
2.输出电压范围测试：通过改变开关电源的输出负载进行测试，判断开关电源的输出电压范围。
检测方法为改变输出负载并观察输出电压变化，检测设备为数字电压表。
3.输出电压精度测试：使用高精度数字电压表测量开关电源的输出电压，与设定值进行对比，判断输出电压的精度。
检测设备为高精度数字电压表。
4.输出电流范围测试：通过改变开关电源的输出负载进行测试，判断开关电源的输出电流范围。
检测方法为改变输出负载并观察输出电流变化，检测设备为数字电流表。
5.输出电流精度测试：使用高精度数字电流表测量开关电源的输出电流，与设定值进行对比，判断输出电流的精度。
检测设备为高精度数字电流表。
6.输出功率测试：通过测量输出电压和输出电流的乘积，计算出开关电源的输出功率。
检测设备为数字电压表和数字电流表。
7.效率测试：通过测量开关电源的输入功率和输出功率的比值，计算出开关电源的效率。
检测设备为数字功率计和负载。
8.开机过压测试：将开关电源的输入电压调整至设定值的两倍，观察开关电源的输出电压情况。
检测设备为数字电压表。
9.短路保护测试：在开关电源的输出端短接一个负载，观察开关电源是否能自动切换到短路保护状态。
检测设备为负载。
10.过流保护测试：在开关电源的输出端增加一个大负载，观察开关电源是否能自动切换到过流保护状态。
检测设备为负载。
11.过载保护测试：在开关电源的输出端增加一个超出额定负载的负载，观察开关电源是否能自动切换到过载保护状态。
检测设备为负载。
12.输出电压波动测试：在开关电源的输出端接入一个示波器，观察输出波形是否正常。
详解开关电源待机功耗的分析
详解开关电源待机功耗的分析引言•现在做电源，除了效率以外，空载或者待机功耗也变得越来越重要了。
这不仅是因为各种各样的能效标准的执行，也确实很符合实际应用的需求，因为大部分的用电设备都长期工作在待机状态。
以离线式的AC/DC电源为例，不同的应用要求不一样，有500mW、300mW、再到100mW，甚至是很多充电器所追求的10mW以下。
•实际上把待机功耗做低也不是什么太高深的事儿，不需要高等数学频谱分析什么高大上的理论，基本只是需要一些经验，有时要做些妥协。
功耗先从AC输入端说起，这里最大的损耗就来自于X电容放电的电阻。
大部分的安规标准都要求1s内把X电容的电压放到安全电压以下。
这样容值越大，放电的电阻就越小，损耗也就越大。
举个例子，.33uF 的电容并个3M的电阻，230Vac条件下的空载损耗就有~18mW。
也就是说为了节约这部分功耗，X电容要尽量小，这个节约成本倒也是一致的。
但是必要的情况下，为了降低损耗也不得不多花点钱了，也就是用专门的X电容放电芯片，比如CAPZero或者HF81。
这类芯片可以自动检测AC是否掉电，所以在正常工作的时候几乎没有损耗。
这类芯片放在桥前面都需要有相应的安规认证的，也都是比较可靠的。
也有一些吧这个功能集成到主控芯片里面的，比如FAN6756。
有一个HV脚通过两个二极管直接接到AC，同时实现X电容放电和启机的功能。
有些应用需要采样AC电压或者Bus电压，比如做过零检测、继电器或电机控制之类的。
这个采样电阻又是一大块损耗。
如果有必要也有可能的话，可以用一个管子在待机状态下把采样电阻断开。
虽然没这么做过，但据说是可行的。
个人感觉这个管子要注意两点，一是要足够的耐压;二是要放在信号的上端以防后端芯片过压，(图中红色箭头位置)，为了做到这一点就要有个足够高的驱动电压。
接着说整流桥的后面。
在母线上会有很多高压器件，所以需要特别注意漏电。
300V的母线每10uA就产生3mW的损耗。
开关管和整流管功耗计算方法
计算公式：
Ploss=Pswitch+Pon-resistance
Pswitch=（1/6*Voff-max*Ioff-max*Toff-rise+1/6*Von-max*Ion-max*Ton-fall）/Tperiod
Pon-resistance=（0.5*（Ion-min+Ion-max））^2*Ton/Tperiod
开关管和整流管功耗计算方法
功率开关管功耗的计算
1） 开关管导通时的功耗测试
开通时间Ton（uS） 4.955 （时间测量以电压波形为基准）
开通时电流的最小值Ion-min（A） 0.222
开通时电流的最大值Ion-max（A） 0.644
规格书上的导通电阻Ron-resistance（homn） 3
降额（%）=（Tmax+Rjc*Ploss）/Tmax-spec*100%
由关断到导通的时间Ton-fall（nS） 47 （测量电压波形的下降时间，单位ns）
由关断到导通电压的最大值Von-max（V） 198
由关断到导通电流的最大值Ion-max（A） 0.491
4） 周期时间的测量
开关周期时间Tperiod（uS） 11.6762
开关管的开关损耗Pswitch（W） 0.327087666
2） 开关管由开通到关断的功耗测试
由开通到关断的时间Toff-rise（nS） 100 （测量电压波形的上升时间，单位ns）
由开通到关断电压的最大值Voff-max（V） 288
由开通到关断电流的最大值Ioff-max（A） 0.637
3） 开关管由关断到导通时的功耗测试
功率分析仪PA6000开关电源测试方案
1.3
开关电源的测试和指标
对于工作中的开关电源， 设备负载和需求在不同时间之间可能会大幅度变化。 即使是商 用开关电源也必须能够承受突然出现的远远超过平均工作电流的峰值电流。 设计电源的工程 师或使用电源的系统需要了解电源在各种条件下的工作状态， 并需要对开关电源进行详尽的 测试和验证，例如电源输入电能质量的测试，输入波动对输出影响的测试，负载变动对输出 影响的测试，此外整体能效的测试和评估都是非常必要的。 开关电源的测试参数主要包括输入参数、输出参数和能效参数的测试。
图 1.13 开关电源启动时间测量
对上图中的测量结果进行分析，测量开关电源从 AC220V 上电，到 DC12V 稳定输出的 过程： AC220V 上电到 DC12V 稳定输出时间为 350ms DC12V 输出稳定时间为 15ms
PA 系列功率分析仪能够直接测量出开关电源输入输出的电压、电流、功率、功率因素 和效率。通过趋势图，可以得到输入和输出电压、电流的波动情况，可以得到电网调整率、
THD
U
1
U
Uh h
2
40
2
1
THD
I
1
I
Ih h
2
40
2
1
图 1.3
开关电源输入参数的测试示例
1.3.2 输出参数 开关电源的输出参数包括了以下的主要指标： 1． 反映输入电压对输出电压影响的指标 输入电压影响输出电压的几个指标形式：
绝对稳压系数 S=△Uo/Uo / △Ui/Ui
图 1.5
输入电压的波动对输出电流的影响
3． 反映负载对输出电压影响的指标 负载对输出电压影响的几种指标形式： 负载调整率（也称电流调整率） 在额定电网电压下，负载电流从零变化到最大时，输出电压的最大相对变化量 △Uo/Uo ，常用百分数表示，有时也用绝对变化量表示。 在额定电网电压下，额定负载、空载或者最小负载时，输出电流的最大相对变 化量△ Io/Io ，常用百分数表示，有时也用绝对变化量表示。
开关电源待机功耗分析
Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ＆Ｓ ｏ ｆ ｔ ｗ ａ ｒ ｅ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ
Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ・ 电子技术
损 耗 器 什
启动 电 ｍ 输Ｌ ｛ Ｊ 电 阻
电子技术 ・ Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
开关电源 待机功耗分析
文／ 王学军
表１ ：功率开关管损 耗 造成损耗的器件 损耗计算公式 解 决 方 法 变量说 明 功率开关管 Ｉ Ｒ Ｄ ｓ ０ Ｎ 。 Ｔ ｏ Ｎ 降低 ｅ ， 降 低 Ｒ。 ｏ Ｎ Ｉ ｐ ：变 压 器 初 级 电 流 Ｒ 。 。 ：开关管导通 电阻
Ｖ ｏ ｎ ：输Ｌ ｉ ｌ Ｉ 乜压 Ｒ ｏ ｓ ：输 … 电 ｌ ｐ ｃ ： 光耦 的 电流 Ｖｆ ｐ ｃ ：ｉ ｔ （ 电瓜 降
光 耦
Ｐ ＷＭ 其 他
Ｖ（ １ ㈣
降低 Ｖ ｃ ｃ 降低 ｌ ｏ ｐ
Ｖｃ ｃ ： 供 电 电
１ 提 高整机效 率与 降低待机 功耗理 论分
析
１ ． １ 开关电源的损耗 包含 功率管导通损耗 、开 关损耗以及外 围控制 电路损耗 ，电路 不同部分 的 损 耗 成 因各 不相 同 ， 因此 减 小损 耗 的 方法 也 有不 同
需 要 用 数 学 方 程 式 量 化 这 些 损 耗 ， 进 而 整理 出降低各部分损耗 的方法 ，才能得 出具体 有效 降低整体损耗 的方案 。 １ ． ２ 主要 导 通 损 耗 如表 ｌ 、表 ２ 、表 ３所 示 。
２ ． ２ 开 关 损 耗 ２ ． ３启 动 电阻 损耗
功率开关管功耗的计算
功率开关管功耗的计算1) 开关管导通时的功耗测试开通时间Ton(uS) 4.955 (时间测量以电压波形为基准)开通时电流的最小值Ion-min(A) 0.222开通时电流的最大值Ion-max(A) 0.644规格书上的导通电阻Ron-resistance(homn) 32) 开关管由开通到关断的功耗测试由开通到关断的时间Toff-rise(nS) 100 (测量电压波形的上升时间,单位ns)由开通到关断电压的最大值V off-max(V) 288由开通到关断电流的最大值Ioff-max(A) 0.6373) 开关管由关断到导通时的功耗测试由关断到导通的时间Ton-fall(nS) 47 (测量电压波形的下降时间,单位ns)由关断到导通电压的最大值V on-max(V) 198由关断到导通电流的最大值Ion-max(A) 0.4914) 周期时间的测量开关周期时间Tperiod(uS) 11.6762开关管的开关损耗Pswitch(W) 0.327087666开关管的导通损耗Pon-resistance(W) 0.477385448开关管的总功耗Ploss(W) 0.8044731145) 温度降额的计算结点到表面的热阻Rjc(℃/W) 10开关管的最高工作温度Tmax-spec(℃) 150高温测得的开关管表面温度Tmax(℃) 81.8 89.8开关管的实际温度降额(％) 59.9计算公式:Ploss=Pswitch+Pon-resistancePswitch=(1/6*V off-max*Ioff-max*Toff-rise+1/6*V on-max*Ion-max*Ton-fall)/TperiodPon-resistance=(0.5*(Ion-min+Ion-max))^2*Ton/Tperiod降额(％)=(Tmax+Rjc*Ploss)/Tmax-spec*100％3842电路的保护---个人经验（原创）3842电路的保护用UC3842做的开关电源的典型电路见图1。
使用DPO示波器测量开关电源中的功耗
使用DPO示波器测量开关电源中的功耗电源需求的变化推动了开关电源系统的体系结构变化，能够测量和分析下一代开关式电源 (SMPS)的功耗至关重要。
支持高得多的数据速度及千兆赫级处理器的新型电源，需要更大的电流和更低的电压，在效率、功率密度、可靠性和成本方面给电源设计人员带来了新的压力。
为满足这些需求，设计人员正在采用新的结构，其中包括同步整流器、有源功率系数校正和更高的开关频率。
这些技术也带来了新的挑战，如开关设备上的高功耗、温度上升和EMI/EMC过高等影响。
了解这些影响的一个关键参数是在开关过程中发生的功率损耗。
在从“off”状态转换到“on”状态的过程中，电源会发生更高的功率损耗。
而开关设备处于“on”或“off”状态时的功率损耗较低，因为流过设备的电流或加在设备上的电压相当小。
与开关设备有关的电感器和变压器会平滑负荷电流隔离输出电压。
这些电感器和变压器还受到开关频率的影响，会产生一定功耗，偶尔会由于饱和而发生故障。
由于开关电源中消耗的功率决定着电源的整体效率及热量效应，因此测量开关设备及电感器和变压器上的功率损耗具有非常重要的意义，特别是在指明功率效率和温度上升方面。
因此，工程师需要测量和分析设备能够在变化的负荷条件下迅速精确地测量和分析瞬时功率损耗。
需要精确测量和分析不同设备瞬时功率损耗的设计人员面临的挑战如下：● 如何组建测试设备，精确测量功率损耗● 校正电压探头和电流探头中的传输延迟引起的误差● 计算非周期性的开关周期中的功率损耗● 在负荷动态变化时分析功率损耗● 计算电感器或变压器的核心损耗幸运的是，市场上已经出现了完善的功率分析软件，这种软件在最新一代数字荧光示波器上运行，与示波器用户界面拥有共同的“感观”，提供了直观的导航能力和简便易用性。
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开关电源中开关管的功耗测量分析
摘要：广州致远电子为ZDS2000系列4通道示波器，最新标配了强大的电源测量分析软件！开关电源分析测量中，开关管部分是关键！如何使用示波器来配合软件使用，进行开关电源的开关管损耗分析测量呢？
从传统的模拟型电源到高效的开关电源，电源的种类和大小千差万别。
它们都要面对复杂、动态的工作环境。
设备负载和需求可能在瞬间发生很大变化。
即使是日常使用的开关电源，也要能够承受远远超过其平均工作电平的瞬间峰值。
设计电源或系统中要使用电源的工程师需要了解在静态条件以及最差条件下电源的工作情况。
了解这些影响的一个关键参数是在开关过程中发生的功率损耗。
理想情况下，开关器件打开(on)和关闭(off)是没有损耗的。
实际情况是：在从“off”状态转换到“on”状态的过程中，电源会发生较高的功率损耗；而开关设备处于“on”或“off”状态时的功率损耗较低，因为流过设备的电流或加在设备上的电压相当小。
过去，要描述电源的行为特征，就意味着要使用数字万用表测量静态电流和电压，并用计算器或PC 进行艰苦的计算。
今天，大多数工程师转而将示波器作为他们的首选电源测量平台。
现代示波器可以配备集成电源测量和分析软件，简化了设置，并使得动态测量更为容易。
用户可以定制关键参数、自动计算，并能在数秒钟内看到结果，而不只是原始数据。
精确测量功率损耗的测试设置
图1是开关电源简化的电路图。
由40 kHz 时钟驱动的MOSFET控制着电流。
图1中的MOSFET没有连接到AC市电接地或电路输出接地上，因此使用示波器进行简单的参考接地电压测量有可能是行不通的，因为把探头的地线连接到任何MOSFET端子上有可能会使通过示波器接地的该点短路。
这时借助差分电压探头是个比较好的方案。
图1 开关电源简化的电路图
进行差分测量是测量MOSFET电压波形的最佳途径。
通过差分测量，可以测量漏极到源极电压(V DS)，其可能会位于几十伏到几百伏的电压顶部，具体取决于电源范围。
在开关电源中进行任何功率损耗测量前，非常重要的一点是同步电压信号和电流信号，消除传输延迟，这一过程称为“偏移校正”。
传统方法要求计算电压信号和电流信号之间的偏移，然后使用示波器的偏移校正范围手动调节偏移。
但是，这种方法耗时非常长。
通过使用配备偏移校正夹具和相关软件可以非常简便的进行校正操作。
计算开关管上的开关功率损耗
要计算开关管上的开关功率损耗，就必须要辨别开关管上的开关过程和导通过程。
只有识别出具体的开关过程，才能准确的计算。
一个典型的开关管开关波形如下图2所示。
图2 开关管开关时波形
大部分功率和能量损耗出现在开关管开关过程，即开关管打开和关闭期间。
切换过程中，开关管达到和退出饱和，并短暂地表现出线性特性。
开关管导通时也会产生功率和能量损耗。
此时，电压为开关管最小饱和电压，并产生电流。
非导通状态时的损耗通常微不足道，理论上可视为零。
通过使用相关的软件，配合示波器可以自动测量一个开关周期的损耗。
如图3所示。
图3 软件计算开关功耗
在非导通状态，电流非常的小，几乎接近于0。
在导通状态，电压非常小，由于示波器的垂直分辨率的原因，导致可能捕获的到的信号不准确，因为非导通状态下，电压值可以为几百伏，为了采集到这么高的电压，垂直每格分辨率可能到几十到几百V/div，而此时导通状态下，电压可能就几十毫伏。
ZDS2000系列标配的电源分析软件为您提供了一个有效的解决办法，您可以把设备技术数据中的RDSON或VCEsat值输入，如果被测电压位于示波器的灵敏度范围内，使用采集的数据进行计算，否则使用用户输入的数据来计算。
广州致远电子充分站在您的角度，为了满足您的需求，在ZDS2000系列所有的4通道示波器中都将标配开关电源有关分析测量的软件！。