Startseite > Messen + Testen > Messtipps für das Design von Stromversorgungen

Schaltnetzteil-Analyse per Oszilloskop

Messtipps für das Design von Stromversorgungen

8. August 2012, 16:40 Uhr | Nicole Wörner

▶ Diesen Artikel anhören

Fortsetzung des Artikels von Teil 2

Analyse des Schaltgeräts

Die Technologie von Schaltnetzteilen ist wesentlich bestimmt von Schaltelementen wie MOSFETs (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren) und IGBTs (Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode). Diese Komponenten ermöglichen kurze Schaltzeiten und widerstehen unregelmäßig auftretenden Spannungsspitzen. Die Transistoren weisen sowohl im ein- als auch im ausgeschalteten Zustand einen sehr niedrigen Wärmeverlustgrad auf und arbeiten dadurch hocheffizient. In der Regel wird durch das Schaltelement die Gesamtleistung des Schaltnetzteils bestimmt. Die wichtigsten Messungen umfassen:

Schaltverlust
Sicherer Betriebsbereich

Schaltverlust: Transistorschaltkreise verlieren beim Schalten Energie, weil aufgrund der parasitären Kapazität und Induktivität und der in der Diode gespeicherten Ladung Wärmeverluste entstehen. Eine genaue Analyse dieser Verluste ist wichtig für die Charakterisierung der Stromversorgung und die Bewertung ihrer Effizienz. Eine der größten Herausforderungen beim Messen von Ein- und Ausschaltverlusten besteht darin, dass die meisten Verluste über sehr kurze Zeiträume hinweg auftreten, die Verluste im weiteren Verlauf des Schaltzyklus aber nur minimal sind. Dies erfordert, dass die zeitliche Abstimmung der Spannungs- und Stromstärkekurven sehr präzise ist, dass Offsets des Messsystems minimal sind und dass der Dynamikbereich der Messung ausreicht, um Spannung und Stromstärke beim Ein- bzw. Ausschalten zu messen.

Eine weitere Herausforderung besteht in dem großen Dynamikbereich, der für eine exakte Messung von Schaltverlusten erforderlich ist. Die über das Schaltelement gemessene Spannung weist beträchtliche Unterschiede zwischen dem ein- und dem ausgeschalteten Zustand auf, wodurch es schwierig wird, beide Zustände in einer einzigen Erfassung zu messen. Die korrekten Werte lassen sich auf dreierlei Weise bestimmen:

Messung des Spannungsabfalls über das Schaltelement während der Durchleitung. Weil diese Spannung meist im Vergleich zur Spannung bei der Nichtdurchleitung sehr klein ist, ist es im Allgemeinen nicht möglich, beide Spannungswerte mit Hilfe derselben Vertikaleinstellung des Oszilloskops zu messen
Angabe des Durchgangswiderstands für den MOSFET (R_DS(on)) aus dem Datenblatt für das Element
Angabe der Sättigungsspannung für den BJT oder IGBT (V_CE(sat)) aus dem Datenblatt für das Element

Sicherer Betriebsbereich (SOA): Der sichere Betriebsbereich eines Transistors wird durch die Betriebsbedingungen bestimmt, unter denen das Element ohne Beschädigungen betrieben werden kann; dabei geht es vor allem um die Frage, wie hoch die Stromstärke ist, die den Transistor bei einer gegebenen Spannung durchlaufen kann. Der sichere Betriebsbereich wird mittels eines grafischen Tests ermittelt, der Beschränkungen des Schaltgeräts (maximale Spannung, Stromstärke und Leistung) berücksichtigt.