使用示波器進行功率電子測試

具有長存儲的示波器，不僅能捕獲和顯示高頻開關(guān)型電源開關(guān)轉(zhuǎn)換信號的詳細信息，甚至可通過持續(xù)時間長達許多毫秒的瞬態(tài)信號捕獲顯示。示波器可在啟動或保護模式期間，或在經(jīng)過功率因數(shù)校正的離線整流系統(tǒng)的整個AC線路周期上，一次記錄多達四個波形的高分辨率信號細節(jié)。有些型號的示波器內(nèi)置有功能強大的波形計算功能，可用來計算瞬時或平均功率損耗或諧波頻譜，并可在示波器屏幕上直接顯示計算結(jié)果。波形計算功能也可用于提高測量值的精度。在某些示波器上，高壓差分探頭以及DC電流探頭可直接插在前面板上，對開關(guān)型電源波形進行懸浮測量。用戶可通過校準測試夾具自動校準和設(shè)置所有探頭的零電平。有些型號的示波器配備有內(nèi)置的WindowsPC系統(tǒng)，因而可簡化示波器與個人PC機之間的數(shù)據(jù)傳輸工作。波形可作為圖形文件導出并直接在文本編輯或演示程序中使用。用戶還可以將數(shù)值數(shù)據(jù)導出至個人PC機，然后用電子表格或數(shù)學程序作進一步的分析。此外，也可用內(nèi)置的軟驅(qū)或內(nèi)置的以太網(wǎng)連接將這些文件傳輸?shù)狡渌?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/1247/" target="_blank">電腦系統(tǒng)。這些功能可用于記錄兩種變流器系統(tǒng)的瞬態(tài)和保護模式，或用于分析磁芯損耗。本《應(yīng)用說明》將討論RTO64示波器在電源電子設(shè)備方面的應(yīng)用，以使用戶能充分利用這種儀器的強大功能，來滿足實際工作中的各項測量需要，如紋波、平均功率損耗、AC電流線路諧波，以及B-H特性等。

一、捕獲和分析高壓側(cè)柵極驅(qū)動波形

如果開關(guān)變流器中含沒有參考接地的晶體管，則很難捕獲柵驅(qū)動器電路的波形。例如，圖1中的半橋電路的高壓側(cè)MOSFET（場效應(yīng)晶體管）就是沒有參考接地的。為了驗證工作正確與否，需對高壓側(cè)激勵器所產(chǎn)生的柵-源電壓進行測量。標準的電壓探頭不能直接測量柵-源電壓，因為探頭的接地端子是通過示波器和其電源與接地相連。斷開安全接地則會使示波器置于"懸浮"狀態(tài)，這是很不安全的作法；而且，這種作法還會產(chǎn)生不正確的測量值，因為示波器電源內(nèi)的共模電容會中斷被測電路的運行。有兩種標準的電壓探頭可分別用來測量柵-接地和源-接地電壓。然后可通過減去通道、移除共模信號（即源-接地電壓）求得柵-源電壓。但當柵-源電壓小于電源電壓時，這種方法則不盡人意，因為不當?shù)墓材Ｐ盘栍惺馆斎?a href="http://wenjunhu.com/tags/放大器/" target="_blank">放大器達到飽和。

二、捕獲和分析電流控制的DC-DC變流器中的保護模式RTO64示波器的高分辨率捕獲功能，長記錄長度以及高取樣速率，是捕獲和分析電流控制的DC-DC變流器中的保護模式所需的理想工具。您可通過這些功能確定每一周期的限流電路是否能正常工作。該系列儀器可輕而易舉地以超高的分辨率捕獲瞬態(tài)信號，非常適合于觀察電流控制變流器中每一周期的限流電路工作情況。

三、測量經(jīng)功率因數(shù)校正（PFC）的AC-DC整流器中的線路電流諧波RTO64示波器配備有長記錄長度、快速傅里葉變換（FFT）數(shù)學計算和自動測量功能，是測量經(jīng)功率因數(shù)校正（PFC）的AC-DC開關(guān)型整流器中AC線路電流諧波的一流工具。該示波器的數(shù)學計算功能包括時域和頻域中的波形頻譜分析。各種頻域控制都和傳統(tǒng)的頻譜分析儀相似，能設(shè)定中心頻率、跨距和分辨率帶寬。示波器采用FFT函數(shù)繪制測定波形的幅度和相位頻譜。

我們在此繪制了測定的AC線路電流波形的諧波幅度。

四、監(jiān)視磁芯飽和與顯示B-H特性RTO64示波器可用來在測試和操作兩種條件下，監(jiān)測磁芯飽和并顯示B-H的特性；方法是：用示波器的波形積分計算功能進行計算，然后將波形數(shù)值數(shù)據(jù)導出至Excel電子表格或其它數(shù)據(jù)分析工具。這種高性能示波器可用來以幾種格式導出波形、圖像和測量值，以使您隨后能用其它應(yīng)用工具進行進一步的分析。測量使用.csv格式（逗號分隔方式）時可直接導入至Excel電子表格。以.csv格式導出的波形不含定時和標度信息；而是把波形作為帶幅度而無單位的值加以導出。數(shù)據(jù)將按順序?qū)懭胛募?，即從波形的第一個樣值到最后一個樣值。磁芯材質(zhì)的通量密度B和磁場強度H之間的關(guān)系，對電感器或變壓器的設(shè)計甚為重要。這一特性的斜率是磁芯材料的磁導率μ，它對電感有影響作用。磁芯材料在高通量密度時將處于飽和狀態(tài)，從而導致磁導率和電感的大幅度降低。B-H回路內(nèi)所含面積等于磁心材料容積單位中每一周期所損耗的能量（磁芯損耗）。通過B和H之比，您便可驗證開關(guān)變流器中磁元件的磁芯損耗和飽和度（或缺少飽和度）之情況。這種測量甚至可在變流器運行期間，在其內(nèi)的電感線圈上進行。

用法拉第（Faraday）定律可確定出通量密度B與施加在繞組上的電壓積分的關(guān)系。因此，我們可通過捕獲并求繞組電壓波形的積分而測定B(t)。用安培（Ampere）定律可確定出磁場強度H與繞組電流的關(guān)系（或，在多匝繞組元件中，與所有繞組的總安匝的關(guān)系）。我們可通過DC電流探頭捕獲電流波形的方式來測量H(t)。對于多匝器件，該電流探頭可一次夾在所有繞組上（如果匝比不是1：1，多匝則須按其它匝比與電流探頭連接）。

五、 測量熒光燈電子鎮(zhèn)流器的啟動和運行模式電子鎮(zhèn)流器中有一個高頻變流器，它以AC激勵燈管，頻率范圍通常為50至100Khz。鎮(zhèn)流器必須提供一個高壓才能啟動燈管；啟動過程可能需要幾十毫秒。燈管啟動后，變流器須（以較低的電壓）提供穩(wěn)壓電流，使燈以穩(wěn)定的亮度和功率運行。為了確保熒光燈使用中的可靠性，測定啟動瞬態(tài)期間的電壓和電流波形是必不可少的測量工作。晶體管的開關(guān)時間，其持續(xù)時間通常為幾十納秒，而開關(guān)周期則是十或二十毫秒，啟動瞬態(tài)可持續(xù)幾十毫秒。捕獲這些事件需要每秒幾十或幾百兆樣值（Megasample）的取樣速率，記錄長度需為幾十毫秒。

六、 將開關(guān)電源紋波和AC線路紋波分離在線性電源中，測量兩倍工頻（120Hz）輸出紋波較為容易，因為您可在線路電壓上觸發(fā)示波器，然后由示波器顯示工頻紋波。但在開關(guān)型電源中則不同，輸出信號由上百kHz的開關(guān)紋波以及其它噪聲所影響，故很難對AC線路整流波動產(chǎn)生的輸出電壓的紋波分量進行測量。測量功率因數(shù)校正的離線整流器中的輸入電流波形質(zhì)量時，也有同樣的問題。

七、 測量開關(guān)變換過程中的瞬時功率和平均功率在開關(guān)變流器中，當電流流過其導通正向電壓降時，功率晶體管中將感生傳導損耗。在開啟和切斷的開關(guān)躍遷期間，可觀察到在晶體管中有大量的可導致開關(guān)損耗的瞬時電壓和電流。開關(guān)損耗一般來源于二極管反向恢復和MOSFET漏極-源電容。即使晶體管的開關(guān)時間很短，但開關(guān)產(chǎn)生的平均功率損耗是顯著的以傳統(tǒng)的測試方法很難做這種測量，因為開關(guān)跳變期間的電壓和電流波形錯綜復雜，而且晶體管在通態(tài)和斷態(tài)期間的電壓變化很大?？侻OSFET損耗雖然可用熱耗散法加以測定，但這些方法存在這機械和精度方面的問題。通過電壓電流乘積方法精確地測量開關(guān)型晶體管中的平均損耗之能力，為設(shè)計工程師提供了一種很有用的基本工具。

八、 測量PFC升壓（Boost）變換器中的晶體管損耗測量開關(guān)電源變換器中的傳導和開關(guān)損耗，過去是一項非常艱難的任務(wù)。在開關(guān)跳變期間，較高的瞬態(tài)電壓和電流都同時施加于晶體管，從而導致相當大的能量損耗。測量這種損耗需要瞬態(tài)電壓和電流波形相乘并求積分。此外，晶體管開啟期間還會出現(xiàn)傳導損耗，其程度等于正向電壓降乘以導通電流。因此必須乘以晶體管瞬態(tài)電壓和電流，并求開關(guān)周期上產(chǎn)生的瞬態(tài)功率波形的積分。除以開關(guān)周期后，便可獲得平均功率損耗。經(jīng)功率因數(shù)校正的整流器須對其輸入電流波形進行控制，才能使用施加的AC線路電壓。在這些變流器中，開關(guān)的占空比通常隨AC線路周期變化。這些變流器的損耗計算，又因該損耗隨AC線路周期變化之事實而進一步復雜化。若需計算晶體管的平均損耗，須在快速（幾十納秒）開關(guān)躍遷期間，精確地求出瞬態(tài)功率積分的同時，又要在半工頻周期上求積分。