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MOSFET的開(kāi)關(guān)軌跡線(xiàn)是判斷MOSFET開(kāi)關(guān)過(guò)程“軟硬”程度的重要評估指標，MOSFET的軟硬程度對于開(kāi)關(guān)電源的性能、壽命、EMI水平都有至關(guān)重要的影響，本文介紹了一種簡(jiǎn)單實(shí)用的方法，利用泰克TDS3000系列示波器，可以實(shí)時(shí)做出MOSFET的開(kāi)關(guān)軌跡線(xiàn)，為改善MOSFET的開(kāi)關(guān)狀態(tài)提供依據。 開(kāi)關(guān)電源中的開(kāi)關(guān)器件(本文以MOSFET為例)在任意時(shí)刻的損耗都可以用下式計算， 其中，ID為開(kāi)關(guān)器件的電流，UDS為電壓。一般地，我們希望開(kāi)關(guān)器件工作在飽和或截止狀態(tài)。為減小開(kāi)關(guān)損耗，在器件開(kāi)關(guān)的動(dòng)態(tài)過(guò)程中，總希望ID和UDS在任意時(shí)刻都至少有一個(gè)值接近或等于零。開(kāi)關(guān)軌跡線(xiàn)可以很好的體現出開(kāi)關(guān)器件的電流和電壓的關(guān)系，開(kāi)關(guān)軌跡線(xiàn)以MOSFET的漏源極電壓UDS為橫軸，漏極電流ID為縱軸，標示出MOSFET所承受的電流和電壓的關(guān)系。典型開(kāi)關(guān)軌跡線(xiàn)如圖1所示： 圖1中a線(xiàn)表示了MOSFET的一次開(kāi)通過(guò)程，UDS逐漸降低，ID逐漸升高；b線(xiàn)表示了一次關(guān)斷過(guò)程，UDS逐漸升高，ID逐漸降低。但是這樣的開(kāi)關(guān)過(guò)程中存在電壓和電流都很高的時(shí)刻，將會(huì )造成很大的開(kāi)關(guān)損耗，這就是所謂的硬開(kāi)關(guān)。硬開(kāi)關(guān)不但增加了開(kāi)關(guān)損耗，而且影響MOSFET的壽命，更造成復雜的EMI問(wèn)題，所以我們通常希望開(kāi)關(guān)過(guò)程盡量“軟”一點(diǎn)。c、d線(xiàn)表示了一次理想的軟開(kāi)關(guān)過(guò)程，c線(xiàn)表示MOSFET開(kāi)通時(shí)，漏源極電壓下降到零，漏極電流才開(kāi)始從零上升，d線(xiàn)表示MOSFET關(guān)斷時(shí)，漏極電流先下降到零后，漏源極電壓才開(kāi)始上升。也就是說(shuō)，開(kāi)關(guān)軌跡線(xiàn)越是靠近坐標軸，開(kāi)關(guān)過(guò)程就越“軟”。 圖1. 典型開(kāi)關(guān)軌跡線(xiàn) 開(kāi)關(guān)軌跡線(xiàn) 利用開(kāi)關(guān)軌跡線(xiàn)，可以評估MOSFET的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，為改善開(kāi)關(guān)過(guò)程提供定量依據。本文介紹了一種利用TDS3000系列示波器，可以實(shí)時(shí)做出MOSFET的開(kāi)關(guān)軌跡線(xiàn)，為改善MOSFET的開(kāi)關(guān)狀態(tài)提供指標。試驗電路為常見(jiàn)的回掃(flyback)電路，如圖2。CH1通道接電壓探頭，采樣MOSFET漏極電壓，CH2通道接電流探頭，采樣MOSFET的漏極電流。選擇合適的水平和垂直標度，將觸發(fā)電平設置到CH1上，可以得到如圖3所示波形。 這個(gè)波形只是表示出電壓和電流隨時(shí)間變化的情況，沒(méi)有直觀(guān)地體現電壓和電流的相互關(guān)系。我們可以利用TDS示波器的XY顯示模式，觀(guān)察MOSFET的開(kāi)關(guān)軌跡線(xiàn)。將TDS示波器調節到XY模式，調節CH1和CH2的幅值標度到合適位置，即可得到如圖3.b所示波形。這個(gè)波形顯示了一個(gè)完整的MOSFET開(kāi)關(guān)周期中的電流電壓的相互關(guān)系，也就是開(kāi)關(guān)軌跡線(xiàn)。其中ABC為開(kāi)通軌跡線(xiàn)，CDA為關(guān)斷軌跡線(xiàn)。 也可以將MOSFET的開(kāi)通軌跡線(xiàn)單獨顯示在屏幕上，具體做法如下：將時(shí)域的波形逐漸拉寬，讓整個(gè)屏幕只顯示開(kāi)通過(guò)程的波形(此時(shí)除了調節時(shí)間標度，還可能需要調節一下觸發(fā)電平)，使開(kāi)通瞬間地電流電壓波形處于屏幕正中間，如圖4。 此時(shí)，將示波器調節到XY模式下，即可可以看到MOSFET的開(kāi)通軌跡線(xiàn)。在回掃電路中，由于MOSFET開(kāi)通后，變壓器原邊電感限制漏極電流的突變，漏極電流從零上升，MOSFET是軟開(kāi)通。這個(gè)特性在開(kāi)通軌跡線(xiàn)上，表現為電壓先沿著(zhù)或貼近X軸減小到零，漏極電流才開(kāi)始上升。 圖2. 被測試電路圖 同樣的方法，可以觀(guān)察到MOSFET的關(guān)斷軌跡線(xiàn)。關(guān)斷前，漏極電流正處于峰值電流出(此時(shí)，MOSFET的狀態(tài)正處于開(kāi)關(guān)軌跡線(xiàn)的C點(diǎn))。關(guān)斷過(guò)程中，漏極電流下降的同時(shí)，漏源極電壓上升，從圖5.b上看，表現為關(guān)斷軌跡線(xiàn)位置很高。MOSFET是硬關(guān)斷，關(guān)斷損耗很大。并且，變壓器原邊漏感中的能量對MOSFET造成很大的電壓沖擊。 利用開(kāi)關(guān)軌跡線(xiàn)減小開(kāi)關(guān)損耗 由以上分析可知，開(kāi)關(guān)軌跡線(xiàn)可以直觀(guān)地反映MOSFET地開(kāi)關(guān)損耗。我們總是希望MOSFET的開(kāi)關(guān)損耗盡可能減小，為此，我們常常在MOSFET周?chē)砑右恍┹o助電路，開(kāi)關(guān)軌跡線(xiàn)可以幫助我們評估改善的效果。 以圖示的回掃電路為例，為了改善MOSFET的關(guān)斷軌跡，在變壓器原邊繞組兩端并聯(lián)RC緩沖支路(如圖6)，限制MOSFET關(guān)斷時(shí)漏極電壓的上升速度。 圖6中所示，R=1kΩ，C=200pF，圖7a"d為加入RC電路后的開(kāi)關(guān)軌跡線(xiàn)。與之前的開(kāi)關(guān)軌跡線(xiàn)相比，加入RC電路后，MOSFET的關(guān)斷軌跡更靠近坐標軸了(圖7.d)。這是因為在MOSFET關(guān)斷瞬間，由于電容電壓不能突變，依然保持輸入電壓，使得MOSFET上電壓保持為零。隨著(zhù)電容C的放電，MOSFET的電壓才逐漸升高。這樣，就限制了MOSFET漏源極電壓的上升速度，關(guān)斷損耗得到減小，不過(guò)關(guān)斷損耗的減小是以開(kāi)通損耗的增加為代價(jià)的。這是由于MOSFET關(guān)斷期間，電容C上電壓為零，MOSFET開(kāi)通瞬間，電容C通過(guò)電阻R和MOSFET充電引起的。從圖7.c開(kāi)通軌跡線(xiàn)上可以看出，MOSFET的開(kāi)通軌跡線(xiàn)向“上”移動(dòng)了，也就是說(shuō)，漏源極電壓還沒(méi)下降到零時(shí)就有漏極電流流過(guò)了。 應該權衡考慮開(kāi)通損耗和關(guān)斷損耗，選擇適當的RC值。利用開(kāi)關(guān)軌跡線(xiàn)可以方便地找到這個(gè)平衡點(diǎn)，以確�？倱p耗降至最低。 本文總結： 利用TDS3000系列示波器的XY顯示模式，可以方便地重現MOSFET的開(kāi)關(guān)軌跡線(xiàn)。利用這一功能，我們可以定量地了解回掃電路中MOSFET的開(kāi)關(guān)情況，并為其吸收電路選擇合理參數。這個(gè)方法也可以方便地應用到其他功率開(kāi)關(guān)和電路拓撲中去。 圖3.a MOSFET電流電壓波形 圖3.b MOSFET的開(kāi)關(guān)軌跡線(xiàn) 圖4.a MOSFET的開(kāi)通過(guò)程 圖4.b MOSFET的開(kāi)通軌跡線(xiàn) 圖5：a）MOSFET的開(kāi)通過(guò)程。 圖5.b）MOSFET的開(kāi)通軌跡線(xiàn)。 圖6. 變壓器原邊并聯(lián)RC緩沖電路 圖7 關(guān)斷緩沖電路的效果a. 開(kāi)關(guān)電壓電流波形 b. 開(kāi)關(guān)軌跡線(xiàn) c. 開(kāi)通軌跡線(xiàn) d. 關(guān)斷軌跡線(xiàn) |
