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。

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。

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。

开关电源的测试项目以及方法开关电源是一种用于对电能进行转换和控制的电子设备。

它广泛应用于计算机、通信、家电等领域。

为了确保开关电源的正常工作和安全性能，需要进行一系列的测试。

下面将介绍开关电源的一些常见测试项目及测试方法。

一、静态参数测试1.输入电压范围测试：通过增加或减小输入电压，测试开关电源在各个输入电压范围内的工作状态和性能。

2.输出电压测量：使用数字电压表或示波器，测量开关电源在各个输出负载下的输出电压值，并比较与额定输出电压的误差。

3.输出电流测量：利用电流表或电流互感器，测量开关电源在各个负载下的输出电流，并比较与额定输出电流的误差。

二、工作状态测试1.转换速度测试：通过改变输入或负载条件，测试开关电源在不同工作状态下的转换速度。

2.过载保护测试：在满负载状态下，增加输出负载，观察开关电源是否能及时启动过载保护功能。

3.温度测试：在不同环境温度下，测量开关电源的温度变化，以评估其散热性能和温度稳定性。

三、效率测试1.输入功率测量：通过测量输入电压和输入电流，计算开关电源的输入功率，并比较与额定输入功率的误差。

2.输出功率测量：通过测量输出电压和输出电流，计算开关电源的输出功率，并比较与额定输出功率的误差。

3.效率计算：根据输入功率和输出功率的测量结果，计算开关电源的效率，并比较与额定效率的误差。

四、安全性能测试1.绝缘电阻测量：使用绝缘电阻测试仪，测量开关电源的输入与输出接地的绝缘电阻值，并比较与标准要求的误差。

2.泄漏电流测量：通过使用漏电流测试仪，测量开关电源在正常工作状态下的漏电流值，并比较与安全标准的限制。

3.短路保护测试：在空载状态下，将输出引线短接，观察开关电源是否能及时启动短路保护功能。

以上是开关电源常见的测试项目及测试方法，通过这些测试可以评估开关电源的性能和安全性能，并确保其正常工作和安全可靠。

在进行测试时，应根据具体的产品要求和标准，选择适当的测试设备和测试方法，以确保测试结果的准确性和可靠性。