原创 如何利用示波器重现MOSFET的开关轨迹线

如何利用示波器重现MOSFET的开关轨迹线

作者：张勇，奥尔特(上海)电子有限公司

判断MOSFET开关过程“软硬”程度的重要评估指标，MOSFET的软硬程度对于开关电源的性能、寿命、EMI水平都有至关重要的影响，本文介绍了一种简单实用的方法，利用泰克TDS3000系列示波器，可以实时做出MOSFET的开关轨迹线，为改善MOSFET的开关状态提供依据。

开关电源中的开关器件(本文以MOSFET为例)在任意时刻的损耗都可以用下式计算，

其中，I_D为开关器件的电流，U_DS为电压。一般地，我们希望开关器件工作在饱和或截止状态。为减小开关损耗，在器件开关的动态过程中，总希望I_D和U_DS在任意时刻都至少有一个值接近或等于零。开关轨迹线可以很好的体现出开关器件的电流和电压的关系，开关轨迹线以MOSFET的漏源极电压U_DS为横轴，漏极电流I_D为纵轴，标示出MOSFET所承受的电流和电压的关系。典型开关轨迹线如图1所示：

图1中a线表示了MOSFET的一次开通过程，U_DS逐渐降低，I_D逐渐升高；b线表示了一次关断过程，U_DS逐渐升高，I_D逐渐降低。但是这样的开关过程中存在电压和电流都很高的时刻，将会造成很大的开关损耗，这就是所谓的硬开关。硬开关不但增加了开关损耗，而且影响MOSFET的寿命，更造成复杂的EMI问题，所以我们通常希望开关过程尽量“软”一点。c、d线表示了一次理想的软开关过程，c线表示MOSFET开通时，漏源极电压下降到零，漏极电流才开始从零上升，d线表示MOSFET关断时，漏极电流先下降到零后，漏源极电压才开始上升。也就是说，开关轨迹线越是靠近坐标轴，开关过程就越“软”。

图1. 典型开关轨迹线

开关轨迹线

利用开关轨迹线，可以评估MOSFET的开关状态，为改善开关过程提供定量依据。本文介绍了一种利用TDS3000系列示波器，可以实时做出MOSFET的开关轨迹线，为改善MOSFET的开关状态提供指标。试验电路为常见的回扫(flyback)电路，如图2。CH1通道接电压探头，采样MOSFET漏极电压，CH2通道接电流探头，采样MOSFET的漏极电流。选择合适的水平和垂直标度，将触发电平设置到CH1上，可以得到如图3所示波形。

这个波形只是表示出电压和电流随时间变化的情况，没有直观地体现电压和电流的相互关系。我们可以利用TDS示波器的XY显示模式，观察MOSFET的开关轨迹线。将TDS示波器调节到XY模式，调节CH1和CH2的幅值标度到合适位置，即可得到如图3.b所示波形。这个波形显示了一个完整的MOSFET开关周期中的电流电压的相互关系，也就是开关轨迹线。其中ABC为开通轨迹线，CDA为关断轨迹线。

也可以将MOSFET的开通轨迹线单独显示在屏幕上，具体做法如下：将时域的波形逐渐拉宽，让整个屏幕只显示开通过程的波形(此时除了调节时间标度，还可能需要调节一下触发电平)，使开通瞬间地电流电压波形处于屏幕正中间，如图4。

此时，将示波器调节到XY模式下，即可可以看到MOSFET的开通轨迹线。在回扫电路中，由于MOSFET开通后，变压器原边电感限制漏极电流的突变，漏极电流从零上升，MOSFET是软开通。这个特性在开通轨迹线上，表现为电压先沿着或贴近X轴减小到零，漏极电流才开始上升。

图2. 被测试电路图

同样的方法，可以观察到MOSFET的关断轨迹线。关断前，漏极电流正处于峰值电流出(此时，MOSFET的状态正处于开关轨迹线的C点)。关断过程中，漏极电流下降的同时，漏源极电压上升，从图5.b上看，表现为关断轨迹线位置很高。MOSFET是硬关断，关断损耗很大。并且，变压器原边漏感中的能量对MOSFET造成很大的电压冲击。

利用开关轨迹线减小开关损耗

由以上分析可知，开关轨迹线可以直观地反映MOSFET地开关损耗。我们总是希望MOSFET的开关损耗尽可能减小，为此，我们常常在MOSFET周围添加一些辅助电路，开关轨迹线可以帮助我们评估改善的效果。

以图示的回扫电路为例，为了改善MOSFET的关断轨迹，在变压器原边绕组两端并联RC缓冲支路(如图6)，限制MOSFET关断时漏极电压的上升速度。

图6中所示，R=1kΩ，C=200pF，图7a~d为加入RC电路后的开关轨迹线。与之前的开关轨迹线相比，加入RC电路后，MOSFET的关断轨迹更靠近坐标轴了(图7.d)。这是因为在MOSFET关断瞬间，由于电容电压不能突变，依然保持输入电压，使得MOSFET上电压保持为零。随着电容C的放电，MOSFET的电压才逐渐升高。这样，就限制了MOSFET漏源极电压的上升速度，关断损耗得到减小，不过关断损耗的减小是以开通损耗的增加为代价的。这是由于MOSFET关断期间，电容C上电压为零，MOSFET开通瞬间，电容C通过电阻R和MOSFET充电引起的。从图7.c开通轨迹线上可以看出，MOSFET的开通轨迹线向“上”移动了，也就是说，漏源极电压还没下降到零时就有漏极电流流过了。

应该权衡考虑开通损耗和关断损耗，选择适当的RC值。利用开关轨迹线可以方便地找到这个平衡点，以确保总损耗降至最低。

本文总结：

利用TDS3000系列示波器的XY显示模式，可以方便地重现MOSFET的开关轨迹线。利用这一功能，我们可以定量地了解回扫电路中MOSFET的开关情况，并为其吸收电路选择合理参数。这个方法也可以方便地应用到其他功率开关和电路拓扑中去。

图3.a MOSFET电流电压波形

图3.b MOSFET的开关轨迹线

图4.a MOSFET的开通过程

图4.b MOSFET的开通轨迹线

图5：a）MOSFET的开通过程。

图5.b）MOSFET的开通轨迹线。

图6. 变压器原边并联RC缓冲电路

图7 关断缓冲电路的效果a. 开关电压电流波形

b. 开关轨迹线

c. 开通轨迹线

d. 关断轨迹线