【技术文章】准确测量开关损耗

摘要：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？

一、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示。

图2  开关管实际功率损耗测试

二、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

三、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3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

四、开关损耗

开关损耗指的是总体的能量损耗，由导通过程损耗、关闭过程损耗、导通损耗组成，使用下面公式计算：

五、开关损耗分析插件

高端示波器通常亦集成了开关损耗分析插件，由于导通状态电压测量不准确，所以导通状态的计算公式是可以修改的，主要有三种：

●  UI，U和I均为测量值

●  I2R，I为测量值，R为导通电阻，由用户输入Rds(on)

●  UceI，I为测量值，Uce为用户输入的电压值，用于弥补电压电压测不准的问题。

一般建议使用I2R的公式，下图是ZDS4000 Plus的开关损耗测试图。

图4  开关损耗测试结果图

六、总结

开关损耗测试对于器件评估非常关键，通过专业的电源分析插件，可以快速有效的对器件的功率损耗进行评估，相对于手动分析来说，更加简单方便。对于MOSFET来说，I2R的导通损耗计算公式是最好的选择。