MOSFET開關軌跡線的示波器重現方法

　　MOSFET的開關軌跡線是判斷MOSFET開關過程“軟硬”程度的重要評估指標，MOSFET的軟硬程度對于開關電源的性能、壽命、EMI水平都有至關重要的影響，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的開關軌跡線，為改善MOSFET的開關狀態提供依據。

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

　　其中，I_D為開關器件的電流，U_DS為電壓。一般地，我們希望開關器件工作在飽和或截止狀態。為減小開關損耗，在器件開關的動態過程中，總希望I_D和U_DS在任意時刻都至少有一個值接近或等于零。開關軌跡線可以很好的體現出開關器件的電流和電壓的關系，開關軌跡線以MOSFET的漏源極電壓U_DS為橫軸，漏極電流I_D為縱軸，標示出MOSFET所承受的電流和電壓的關系。典型開關軌跡線如圖1所示：

　　圖1中a線表示了MOSFET的一次開通過程，U_DS逐漸降低，I_D逐漸升高；b線表示了一次關斷過程，U_DS逐漸升高，I_D逐漸降低。但是這樣的開關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損耗，這就是所謂的硬開關。硬開關不但增加了開關損耗，而且影響MOSFET的壽命，更造成復雜的EMI問題，所以我們通常希望開關過程盡量“軟”一點。c、d線表示了一次理想的軟開關過程，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，開關軌跡線越是靠近坐標軸，開關過程就越“軟”。

圖1. 典型開關軌跡線

　　開關軌跡線

　　利用開關軌跡線，可以評估MOSFET的開關狀態，為改善開關過程提供定量依據。本文介紹了一種利用TDS3000系列示波器，可以實時做出MOSFET的開關軌跡線，為改善MOSFET的開關狀態提供指標。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，將觸發電平設置到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，沒有直觀地體現電壓和電流的相互關系。我們可以利用TDS示波器的XY顯示模式，觀察MOSFET的開關軌跡線。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。這個波形顯示了一個完整的MOSFET開關周期中的電流電壓的相互關系，也就是開關軌跡線。其中ABC為開通軌跡線，CDA為關斷軌跡線。

　　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(此時除了調節時間標度，還可能需要調節一下觸發電平)，使開通瞬間地電流電壓波形處于屏幕正中間，如圖4。

　　此時，將示波器調節到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，表現為電壓先沿著或貼近X軸減小到零，漏極電流才開始上升。

圖2. 被測試電路圖

　　同樣的方法，可以觀察到MOSFET的關斷軌跡線。關斷前，漏極電流正處于峰值電流出(此時，MOSFET的狀態正處于開關軌跡線的C點)。關斷過程中，漏極電流下降的同時，漏源極電壓上升，從圖5.b上看，表現為關斷軌跡線位置很高。MOSFET是硬關斷，關斷損耗很大。并且，變壓器原邊漏感中的能量對MOSFET造成很大的電壓沖擊。

　　利用開關軌跡線減小開關損耗

　　由以上分析可知，開關軌跡線可以直觀地反映MOSFET地開關損耗。我們總是希望MOSFET的開關損耗盡可能減小，為此，我們常常在MOSFET周圍添加一些輔助電路，開關軌跡線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的關斷軌跡，在變壓器原邊繞組兩端并聯RC緩沖支路(如圖6)，限制MOSFET關斷時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電路后的開關軌跡線。與之前的開關軌跡線相比，加入RC電路后，MOSFET的關斷軌跡更靠近坐標軸了(圖7.d)。這是因為在MOSFET關斷瞬間，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，關斷損耗得到減小，不過關斷損耗的減小是以開通損耗的增加為代價的。這是由于MOSFET關斷期間，電容C上電壓為零，MOSFET開通瞬間，電容C通過電阻R和MOSFET充電引起的。從圖7.c開通軌跡線上可以看出，MOSFET的開通軌跡線向“上”移動了，也就是說，漏源極電壓還沒下降到零時就有漏極電流流過了。

　　應該權衡考慮開通損耗和關斷損耗，選擇適當的RC值。利用開關軌跡線可以方便地找到這個平衡點，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的開關軌跡線。利用這一功能，我們可以定量地了解回掃電路中MOSFET的開關情況，并為其吸收電路選擇合理參數。這個方法也可以方便地應用到其他功率開關和電路拓撲中去。

　　參考文獻：

　　林渭勛 現代電力電子電路 浙江大學出版社 2002

圖3.a MOSFET電流電壓波形

圖3.b MOSFET的開關軌跡線

圖4.a MOSFET的開通過程

圖4.b MOSFET的開通軌跡線

圖5：a）MOSFET的開通過程。

圖5.b）MOSFET的開通軌跡線。

圖6. 變壓器原邊并聯RC緩沖電路

圖7 關斷緩沖電路的效果a. 開關電壓電流波形

b. 開關軌跡線

c. 開通軌跡線

d. 關斷軌跡線