求解每个热源功率损耗的新方法
时间:2023-09-25 22:56 来源: 作者: 点击:次
一 引言 DC-DC转换器的效率和功率是许多电子系统的一个重要特征参数。可以测量出这些特征参数，并用下面的直观方式进行表达： 效率 = 输出功率 / 输入功率 （1） 功率 = 输入功率-输出功率 （2） 但是对于每个元器件做为一个单独热源在中所占的比重，这样的结果没有提供任何信息。而我们的方法学能让设计者更好地选择针对其应用的最佳DC-DC实现方案。 二 降压转换器的实例 降压转换器中的主要热源是高边、低边和电感器。如果我们使用电工学方法来判定高边的功率损耗，那么就必须测量漏极电流、漏源电压、栅极电流和栅源电压。不幸的是，如果不在电流路径中引入额外的电感和干扰电路的正常工作，要在高频DC-DC转换器中测得这些数据是非常困难的。但借助热成像摄像机，我们研究出一种求解每个损耗的新方法，而且不会影响电路的工作。 三 新方法的基本原理 在一个电路中，将电能转换为热能的元器件是热源。能量转换成热会增加热源器件的和周围环境的温度。转变成热的能量就是元器件的功率损耗。整个温升（？T）取决于功率损耗（P）和环境。对于一个在固定测试台上的某块PCB板，？T是功率损耗的唯一函数。因此，如果我们测量出？T，就可以推导计算每个损耗的方法。 四 基本原理的推导 为简单起见，假设在PCB板上有两个热源（HS1和HS2）。HS1工作时不但使其自身的表面温度会升高，也会提高HS2的表面温度，对HS2来说也是如此。因此，每个热源的最终？T可以用下面的等式来表示。
Sij （i， j = 1，2）是热敏感度系数，与热阻的度数相同 Pi是每个热源的功率损耗 等式（3）也可以扩展到N个热源的情况。在这种情况下，每个热源的温升可以由下式给出。
S是一个N x N的矩阵 如果我们知道S的数值，就可以由下式得到每个热源的功率损耗。
假设Sij与温度或电路的工作状态无关，那么就可以由等式6确定每个Sij。
这里，DTi是第i个热源的温升，Pj是第j个热源消耗的功率。所有其他器件都不起作用。 每次我们都使用简单的直流技术给一个热源供电，这样就可以以非侵入式方式测量热敏感度的系数。我们对被测器件（IC，MOSFET和电感器）施加直流电压和电流，迫使器件开始消耗能量，然后测出Pj。然后我们使用热成像摄像机测量表面温度的？Ti，接着就可以用上面的等式（6）计算出Sij。 我们使用了新的方法学计算两个降压拓扑的主热源：一个使用SiC739D8 DrMOS IC的集成式功率级，和一个使用两个MOSFET的分立式功率级，在分立式功率级中，Si7382DP在高边，Si7192DP在低边。 一 引言 DC-DC转换器的效率和功率损耗是许多电子系统的一个重要特征参数。可以测量出这些特征参数，并用下面的直观方式进行表达： 效率 = 输出功率 / 输入功率 （1） 功率损耗 = 输入功率-输出功率 （2） 但是对于每个元器件做为一个单独热源在损耗中所占的比重，这样的结果没有提供任何信息。而我们的方法学能让设计者更好地选择针对其应用的最佳DC-DC实现方案。 二 降压转换器的实例 降压转换器中的主要热源是高边MOSFET、低边MOSFET和电感器。如果我们使用电工学方法来判定高边MOSFET的功率损耗，那么就必须测量漏极电流、漏源电压、栅极电流和栅源电压。不幸的是，如果不在电流路径中引入额外的电感和干扰电路的正常工作，要在高频DC-DC转换器中测得这些数据是非常困难的。但借助热成像摄像机，我们研究出一种求解每个损耗的新方法，而且不会影响电路的工作。 三 新方法的基本原理 在一个电路中，将电能转换为热能的元器件是热源。能量转换成热会增加热源器件的和周围环境的温度。转变成热的能量就是元器件的功率损耗。整个温升（？T）取决于功率损耗（P）和环境。对于一个在固定测试台上的某块PCB板，？T是功率损耗的唯一函数。因此，如果我们测量出？T，就可以推导计算每个热源功率损耗的方法。 四 基本原理的推导 为简单起见，假设在PCB板上有两个热源（HS1和HS2）。HS1工作时不但使其自身的表面温度会升高，也会提高HS2的表面温度，对HS2来说也是如此。因此，每个热源的最终？T可以用下面的等式来表示。
Sij （i， j = 1，2）是热敏感度系数，与热阻的度数相同 Pi是每个热源的功率损耗 等式（3）也可以扩展到N个热源的情况。在这种情况下，每个热源的温升可以由下式给出。
S是一个N x N的矩阵 如果我们知道S的数值，就可以由下式得到每个热源的功率损耗。
假设Sij与温度或电路的工作状态无关，那么就可以由等式6确定每个Sij。
这里，DTi是第i个热源的温升，Pj是第j个热源消耗的功率。所有其他器件都不起作用。 每次我们都使用简单的直流技术给一个热源供电，这样就可以以非侵入式方式测量热敏感度的系数。我们对被测器件（IC，MOSFET和电感器）施加直流电压和电流，迫使器件开始消耗能量，然后测出Pj。然后我们使用热成像摄像机测量表面温度的？Ti，接着就可以用上面的等式（6）计算出Sij。 我们使用了新的方法学计算两个降压拓扑的主热源：一个使用SiC739D8 DrMOS IC的集成式功率级，和一个使用两个MOSFET的分立式功率级，在分立式功率级中，Si7382DP在高边，Si7192DP在低边。 A.集成式降压转换器
图1 图1显示了用于集成式降压转换器的EVB前端。这里有4个热源：电感器（HS1），驱动IC（HS2），高边MOSFET（HS3）和低边MOSFET（HS4）。SiC739 DrMOS是一个单芯片解决方案，其内部包含的HS2、HS3和HS4靠得非常近。由于这里有4个热源，因此S是一个4x4矩阵。
图2显示了当低边MOSFET的体二极管是前向偏置时（AR0x Avg. =》 HSx），4个热源的温度。 如果 TA 为 23.3 ？C，那么， （8） 测得的电流I4和电压V4分别是2.14A和0.6589V。 P4 = I4？V4 = 1.41W （8） 使 (责任编辑：admin) |