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用开关模式变换器测量热源的功率损耗

2010-04-30 11:44:24 来源:《磁性元件与电源》2010年5月刊 点击:1110

1 引言
DC-DC直流变换器的效率和功率损耗指标是大多数电子系统的重要特性。这些特性可以测量和用以下简单明了的方式表述:
效率=输出功率/输入功率                        (1)
功率损耗=输入功率-输出功率                    (2)
但这种结论提供的不是作为单个热源的每一个元件得出的信息。新的方法指出了这个问题,考虑到它们的应用,应让设计师们更好地选用最佳的DC-DC直流变换器件。
在反激式变换器中的主要发热源是高边的MOSFETs、低边的MOSFETs和电感器。如果我们用电性能指标的方法确定在高边和低边的MOSFETs的功率损耗,则我们必须测量瞬时泄漏电流、泄漏到热源的电压、门电路电流和门电路到热源的电压。可惜的是,这些测量工作,除了会在电流路线上引入额外的电感值和扰乱了电路的正常工作以外,对获取高频状况下的DC-DC变换器的损耗值是困难的。但是,借助于热摄像机的帮助,在不影响电路正常工作的情况下,我们研制了一种提取每一个热源上功率损耗的新方法。
2 测量热源功率损耗的原理
在电路中,热源将电能转化为热能。能量转化为热提高了热源的温度和其空间的环境温度。能量转化为热的数量就是元器件的功率损耗。所上升的温度(ΔT)依赖于功率损耗(P)和环境温度。对于安置于试验台上的确定的印制电路板(PCB),ΔT仅是功率消耗的函数。所以,如果我们可以测量ΔT,则可以推导出每一个热源的功率损耗计算方法。为了简化计,假设在印制电路板上存在二个热源HS1和HS2,HS1的工作不仅使其自身的表面温度更高,同时提高了HS2的表面温度,反之亦然。因此,每一个热源最后的ΔT可以表述如下:
                            (3)

式中,Sij(i, j=1, 2)是具有相同量纲热阻的热灵敏度系数;Pi是每个热源的功率损耗。
式(3)可以扩展为N个热源。在这种情况下,每个热源的温升为:

                                (4)

式中的S是一个N×N矩阵。
如果我们知道S的值,则每个热源的功率损耗可以从以下公式中求出:

                             (5)

假设Sij并不依赖于温度或电路的工作状况,则每个Sij可以由下式确定:
                                         (6)
式中,ΔTi是在第i个热源中的温升,Pj是在所有其它元器件被阻尼时,由第j个热源所消耗的功率。
我们采用简单的技术同时激励一个热源,上述的热灵敏度系数可以用没有热量入侵的方法测量。我们应用直流电压和电流来强制元件(IC、MOSFET和电感器)开始消耗功率,然后以此测量Pj。再则我们使用热摄像仪测量表面温度ΔTi。Sij可以采用式(6)计算得出。
我们采用新的方法来计算两类反激式拓扑的主要发热源的功率损耗:一类是采用SiC739D8 DrMoS IC的集成电源级;另一类是在高边采用二只MOSFETs——Si7382DP和在低边采用Si7192DP。
3 集成反激变换器
图1所示为适用于集成变换器的EVB正面照片。它具有四个热源:电感器(HS1)、驱动集成电路IC(HS2)、高边MOSFET(HS3)和低边MOSFET(HS4)。SiC739DrMoS是包括了性能上非常相近的HS2、HS3和HS4的一种单个IC解决方案。因为其存在四个热源,S是4×4矩阵。S分量是由强化电流在同一时间通过每个热源获得的。
图2所示为低边MOSFET的主二极管被正向偏置(ARO×AVg.=>HSX)时,四个热源的温度。
假如TA是23.3℃,则:
ΔT14=8.2℃
ΔT24=13.1℃
ΔT34=13.4℃
ΔT44=22.8℃
测量得到的电流I4和电压V4分别是2.14A和0.6589V,所以:
P4=I4×V4=1.41W
利用TA的温度信息,我们可以得到Si4(i=1,2,3,4):
S14=5.28,S24=9.29,S34=9.5,S44=16.2
经重复这个程序,S矩阵被解得:

                       (7)


(8)
4 实验结果
4.1 集成反激变换器
现在,我们可以致力于SiC739EVB并利用式(5)和式(8)来计算每一个热源的功率损耗:
P1=0.224W(电感器)
P2=0.431W(驱动IC)
P3=0.771W(高边MOSFET)
P4=0.512W(低边MOSFET)
从测量和式(2)得:
P1+P3+P4=1.538W
新方法给出:
P1+P3+P4=1.507W
图3示出了热测法和电测法两者间的差别。可以认为诸如PCB的线条和电容器上的ESR是次要的热源。
4.2 分立式反激变换器
利用以上的程序和式(4),我们以不考虑驱动器IC中功率的简单分立执行工具,得到了S矩阵。
ΔT13=10.5℃(电感器)
ΔT23=13.8℃(高边)
ΔT33=24.7℃(低边)
S13=7.5;S23=9.86;S33=17.6

                           (9)

利用图5中的信息,我们可以求得在Vin=12V,Vo=1.3V,Io=8A,FS=1MHz时的功率损耗:
P1=0.228W(电感器
P2=0.996W(高边MOSFET)
P3=0.789W(低边MOSFET)
比较分立和集成反激变换器的功率P1,P2,P3,P4,我们发现因为它们使用了相同的电感器,故应预计其两个电路具有相同的电感器损耗。集成反激变换器解决方案的损耗小于分立反激变换器,以至经过分立MOSFETs的Rdson低于集成MOSFET 23%(低边)和28%(高边)。所以,我们可以得出结论,在涉及功率损耗时,集成的解决方案使得其工作频率较低。

编译自《Power electronics.com 2009年1月》

 

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