測量高頻開關(guān)DC-DC轉(zhuǎn)換器中熱應(yīng)力器件功率耗散的新方法

　　引言

　　DC-DC轉(zhuǎn)換器的效率和功率損耗是許多電子系統(tǒng)的一個重要特征參數(shù)。可以測量出這些特征參數(shù)，并用下面的直觀方式進行表達：

　　效率 = 輸出功率 / 輸入功率 (1)

　　功率損耗 = 輸入功率-輸出功率 (2)

　　但是對于每個元器件做為一個單獨熱源在損耗中所占的比重，這樣的結(jié)果沒有提供任何信息。我們的方法學(xué)能夠解決這個問題，從而讓設(shè)計者能夠更好地選擇針對其應(yīng)用的最佳DC-DC實現(xiàn)方案。

　　降壓轉(zhuǎn)換器的實例

　　降壓轉(zhuǎn)換器中的主要熱源是高邊MOSFET、低邊MOSFET和電感器。如果我們使用電工學(xué)方法來判定高邊MOSFET的功率損耗，那么就必須測量漏極電流、漏源電壓、柵極電流和柵源電壓。不幸的是，如果不在電流路徑中引入額外的電感和干擾電路的正常工作，要在高頻DC-DC轉(zhuǎn)換器中測得這些數(shù)據(jù)是非常困難的。但借助熱成像攝像機，我們研究出一種求解每個熱源功率損耗的新方法，而且不會影響電路的工作。

　　新方法的基本原理

　　在一個電路中，將電能轉(zhuǎn)換為熱能的元器件是熱源。能量轉(zhuǎn)換成熱會增加熱源器件的和周圍環(huán)境的溫度。轉(zhuǎn)變成熱的能量就是元器件的功率損耗。整個溫升(DT)取決于功率損耗(P)和環(huán)境。對于一個在固定測試臺上的某塊PCB板，DT是功率損耗的唯一函數(shù)。因此，如果我們測量出DT，就可以推導(dǎo)計算每個熱源功率損耗的方法。

　　為簡單起見，假設(shè)在PCB板上有兩個熱源(HS1和HS2)。HS1工作時不但使其自身的表面溫度會升高，也會提高HS2的表面溫度，對HS2來說也是如此。因此，每個熱源的最終DT可以用下面的等式來表示。

　　這里，Sij (i, j=1,2)是熱敏感度系數(shù)，與熱阻的度數(shù)相同，Pi是每個熱源的功率損耗。

　　等式(3)也可以擴展到N個熱源的情況。在這種情況下，每個熱源的溫升可以由下式給出：

　　S是一個N×N的矩陣

　　如果我們知道S的數(shù)值，就可以由下式得到每個熱源的功率損耗：

　　假設(shè)Sij與溫度或電路的工作狀態(tài)無關(guān)，那么就可以由下式確定每個Sij：

　　這里，DTi是第i個熱源的溫升，Pj是第j個熱源消耗的功率。所有其他器件都不起作用。