電源測試之-MOSFET開關(guān)軌跡線的示波器重現(xiàn)方法

MOSFET的開關(guān)軌跡線是判斷MOSFET開關(guān)過程“軟硬”程度的重要評估指標，MOSFET的軟硬程度對于開關(guān)電源的性能、壽命、EMI水平都有至關(guān)重要的影響，本文介紹了一種簡單實用的方法，利用泰克TDS3000系列示波器，可以實時做出MOSFET的開關(guān)軌跡線，為改善MOSFET的開關(guān)狀態(tài)提供依據(jù)。

開關(guān)電源中的開關(guān)器件(本文以MOSFET為例)在任意時刻的損耗都可以用下式計算，

其中，ID為開關(guān)器件的電流，UDS為電壓。一般地，我們希望開關(guān)器件工作在飽和或截止?fàn)顟B(tài)。為減小開關(guān)損耗，在器件開關(guān)的動態(tài)過程中，總希望ID和UDS在任意時刻都至少有一個值接近或等于零。開關(guān)軌跡線可以很好的體現(xiàn)出開關(guān)器件的電流和電壓的關(guān)系，開關(guān)軌跡線以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。典型開關(guān)軌跡線如圖1所示：

圖1中a線表示了MOSFET的一次開通過程，UDS逐漸降低，ID逐漸升高；b線表示了一次關(guān)斷過程，UDS逐漸升高，ID逐漸降低。但是這樣的開關(guān)過程中存在電壓和電流都很高的時刻，將會造成很大的開關(guān)損耗，這就是所謂的硬開關(guān)。硬開關(guān)不但增加了開關(guān)損耗，而且影響 MOSFET的壽命，更造成復(fù)雜的EMI問題，所以我們通常希望開關(guān)過程盡量“軟”一點。c、d線表示了一次理想的軟開關(guān)過程，c線表示MOSFET開通時，漏源極電壓下降到零，漏極電流才開始從零上升，d線表示MOSFET關(guān)斷時，漏極電流先下降到零后，漏源極電壓才開始上升。也就是說，開關(guān)軌跡線越是靠近坐標軸，開關(guān)過程就越“軟”。

開關(guān)軌跡線

利用開關(guān)軌跡線，可以評估MOSFET的開關(guān)狀態(tài)，為改善開關(guān)過程提供定量依據(jù)。本文介紹了一種利用TDS3000系列示波器，可以實時做出MOSFET 的開關(guān)軌跡線，為改善MOSFET的開關(guān)狀態(tài)提供指標。試驗電路為常見的回掃(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(shè)置到CH1上，可以得到如圖3所示波形。

這個波形只是表示出電壓和電流隨時間變化的情況，沒有直觀地體現(xiàn)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，觀察MOSFET的開關(guān)軌跡線。將TDS示波器調(diào)節(jié)到XY模式，調(diào)節(jié)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。這個波形顯示了一個完整的MOSFET開關(guān)周期中的電流電壓的相互關(guān)系，也就是開關(guān)軌跡線。其中ABC為開通軌跡線，CDA為關(guān)斷軌跡線。

也可以將MOSFET的開通軌跡線單獨顯示在屏幕上，具體做法如下：將時域的波形逐漸拉寬，讓整個屏幕只顯示開通過程的波形(此時除了調(diào)節(jié)時間標度，還可能需要調(diào)節(jié)一下觸發(fā)電平)，使開通瞬間地電流電壓波形處于屏幕正中間，如圖4。

此時，將示波器調(diào)節(jié)到XY模式下，即可可以看到MOSFET的開通軌跡線。在回掃電路中，由于MOSFET開通后，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是軟開通。這個特性在開通軌跡線上，表現(xiàn)為電壓先沿著或貼近X軸減小到零，漏極電流才開始上升。