大功率電子負(fù)載

DC-DC轉(zhuǎn)換器是市面上常見(jiàn)的電源轉(zhuǎn)換器，廣泛應(yīng)用在各行各業(yè)，比如UPS電源內(nèi)部、電動(dòng)汽車、光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)、航空儲(chǔ)能系統(tǒng)等，用于將直流電高壓轉(zhuǎn)換成低壓或低壓轉(zhuǎn)換成高壓。測(cè)試DC-DC轉(zhuǎn)換器對(duì)于其性能、安全性、效率轉(zhuǎn)換率的確定至關(guān)重要。下文以新能源汽車為例，介紹DC-DC轉(zhuǎn)換器在其中的用途，以及涉及到的相關(guān)輸出端的測(cè)試項(xiàng)，重點(diǎn)介紹艾德克斯IT8900大功率直流負(fù)載的測(cè)試優(yōu)勢(shì)。

DC-DC轉(zhuǎn)換器在新能源汽車上的應(yīng)用

大多數(shù)電動(dòng)汽車和混合電動(dòng)汽車配置使用兩種能量存儲(chǔ)裝置，高能量存儲(chǔ)裝置又叫“主能源系統(tǒng)”（MES），另一個(gè)具有可逆變能量系統(tǒng)，又稱“可充電能源系統(tǒng)”（RESS）。如圖一所示，電動(dòng)汽車可以同時(shí)使用燃料電池、動(dòng)力電池包和超級(jí)電容器提供電力驅(qū)動(dòng)，這樣可以有效減少成本、體積和提高性能。

DC-DC轉(zhuǎn)換器是混合動(dòng)力汽車中輔助電源的一個(gè)核心部件。該轉(zhuǎn)換器需要將能量從12V直流總線轉(zhuǎn)換到高壓直流總線上（用于電力牽引）。DC-DC轉(zhuǎn)換器的功率是由汽車的特性決定的，比如最高速，百公里加速，重量，最大扭矩和功率狀況（峰值功率，持續(xù)功率）。通常而言，客車的轉(zhuǎn)換器功率一般大于20 KW，最大高達(dá)100 KW。

圖一、電動(dòng)汽車驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

圖二、混合動(dòng)力傳動(dòng)框圖

圖二這張示意圖具體顯示了混動(dòng)汽車內(nèi)部的供電情況。服務(wù)電池提供12V標(biāo)準(zhǔn)電壓用于儀表盤(pán)、制動(dòng)裝置和照明。動(dòng)力電池提供的200-800V高壓電用于牽引系統(tǒng)。動(dòng)力電池可由混合控制系統(tǒng)和(或)電網(wǎng)經(jīng)AC-DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行充電，而12V電池是由動(dòng)力電池由經(jīng)DC-DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行充電。因此，電動(dòng)汽車的配置可以使用雙向或單向系統(tǒng)。轉(zhuǎn)換器的可靠性是關(guān)鍵因素，因?yàn)橐粋€(gè)小錯(cuò)誤就會(huì)導(dǎo)致12V服務(wù)電池的放電，直接導(dǎo)致整個(gè)電子系統(tǒng)的損失。

DC-DC轉(zhuǎn)換器的測(cè)試方法

關(guān)于DC-DC轉(zhuǎn)換器的測(cè)試包括效率測(cè)試、動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試、開(kāi)關(guān)機(jī)時(shí)間測(cè)試、保護(hù)項(xiàng)測(cè)試等等。這些測(cè)試可以使用艾德克斯ITS9500電源測(cè)試系統(tǒng)自動(dòng)完成，在產(chǎn)品研發(fā)、設(shè)計(jì)驗(yàn)證、批量生產(chǎn)、來(lái)貨或驗(yàn)貨測(cè)試、合格試驗(yàn)等環(huán)節(jié)中都有應(yīng)用。下面我將重點(diǎn)介紹電源測(cè)試系統(tǒng)中的高精度大功率直流負(fù)載IT8900系列在DC-DC轉(zhuǎn)換器中的相關(guān)測(cè)試項(xiàng)中的應(yīng)用。IT8900系列電子負(fù)載功率范圍從12KW到600KW，可以完全滿足大功率DC-DC轉(zhuǎn)換器的測(cè)試需求。

圖三、DC-DC轉(zhuǎn)換器的測(cè)試接線

測(cè)試開(kāi)、關(guān)機(jī)電壓和時(shí)間：如圖三所示，為待測(cè)DC-DC轉(zhuǎn)換器接線，前級(jí)輸入電壓有一定的工作范圍，為了驗(yàn)證輸入電壓范圍，需要借助可編程直流電源（可以選用艾德克斯IT6500、IT6700H、IT6900系列電子負(fù)載）。直流負(fù)載IT8900、IT8800、IT8500 可用于拉載電流和模擬后級(jí)設(shè)備。

測(cè)試最小輸入電壓，在DC-DC轉(zhuǎn)換器打開(kāi)后使用額定電壓輸入，同時(shí)負(fù)載滿電流（滿功率）拉載。減小輸入電壓直到輸出跌落或者減小到最小輸入電壓為止。

為了驗(yàn)證DC-DC轉(zhuǎn)換器可以在后級(jí)滿載時(shí)啟動(dòng)，可以設(shè)定輸入電壓最小，關(guān)閉再開(kāi)啟，同時(shí)測(cè)量輸出端的電壓和電流。測(cè)量輸出端電壓和紋波用以觀察低輸入電壓對(duì)于輸出穩(wěn)定性和紋波的影響。為了保證測(cè)試精度，電源和負(fù)載的遠(yuǎn)端量測(cè)端子必須連接。

測(cè)試開(kāi)、關(guān)機(jī)、保持時(shí)間，可以利用艾德克斯IT8900直流負(fù)載的時(shí)間量測(cè)功能，可以測(cè)試電壓和電流波形的上升下降時(shí)間，內(nèi)部采用18bit、500kbps高速AD采樣，測(cè)試精度可以達(dá)到10微秒，媲美高精度示波器，如圖三顯示。艾德克斯電源、負(fù)載均向客戶開(kāi)放編程指令，客戶不僅可以使用自帶軟件進(jìn)行上位機(jī)操作或系統(tǒng)操作，也可以自行搭建智能測(cè)試平臺(tái)。

圖四、IT8900對(duì)于電流下降時(shí)間的測(cè)量與高精度示波器測(cè)量結(jié)果對(duì)比

開(kāi)機(jī)時(shí)間是指從最小輸入電壓開(kāi)始到輸出電壓達(dá)到輸出規(guī)定值的時(shí)間。關(guān)機(jī)時(shí)間是指從輸入電壓跌落至最小輸入電壓開(kāi)始到輸出關(guān)閉或者電壓跌落至0V為止。如圖四所示。

圖五、開(kāi)關(guān)機(jī)時(shí)間

保持時(shí)間測(cè)量采用相同的測(cè)試接線，保持時(shí)間是指從輸入跌落至最小輸入電壓開(kāi)始到輸出電壓跌落至最小工作電壓為止。這項(xiàng)測(cè)試指出DC-DC轉(zhuǎn)換器在輸入有短時(shí)中斷或電壓跌落時(shí)輸出的穩(wěn)定性。有些DC-DC轉(zhuǎn)換器具有輸入失敗檢測(cè)信號(hào)，此信號(hào)亦可作為觸發(fā)此測(cè)試的開(kāi)關(guān)。

圖六、保持時(shí)間

輸出線性調(diào)整率測(cè)試：這項(xiàng)測(cè)試可測(cè)得當(dāng)輸入電壓從最小操作電壓變化到最大操作電壓時(shí)，DC-DC轉(zhuǎn)換器輸出電壓的范圍，是否符合規(guī)格書(shū)標(biāo)準(zhǔn)。

輸出線性調(diào)整率測(cè)試包括監(jiān)測(cè)輸出電壓，改變輸入電壓（從最小值到最大值變動(dòng)）并記錄輸出電壓偏差（以絕對(duì)值或以百分比標(biāo)注）。

如果輸出端負(fù)載的測(cè)量精度和輸入端直流電源的精度相當(dāng)，那就沒(méi)有必要外加數(shù)字萬(wàn)用表（DMM）測(cè)量電壓、電流和功率。比如，艾德克斯的IT8900直流負(fù)載和IT6500直流電源具有相當(dāng)?shù)碾妷?、電流、功率測(cè)試精度，因此無(wú)需外加DMM表。而測(cè)試系統(tǒng)中往往包含有示波器或者示波器卡用于驗(yàn)證輸出電壓的穩(wěn)定性。

輸出線性調(diào)整率Ro 可以用以下公式計(jì)算出來(lái)：

其中，Vomax 為最大輸入電壓時(shí)的輸出電壓; Vomin 為最小輸入電壓時(shí)的輸出電壓; Vonom為額定輸入電壓時(shí)的輸出電壓。

輸出負(fù)載調(diào)節(jié)率：輸出負(fù)載調(diào)節(jié)率測(cè)試保證DC-DC轉(zhuǎn)換器的輸出電壓穩(wěn)定在標(biāo)稱值內(nèi)。這里，輸出電壓的變化會(huì)隨著拉載電流的大小而變化并記錄下來(lái)。利用電壓差來(lái)計(jì)算負(fù)載調(diào)節(jié)率偏差的百分比。負(fù)載調(diào)節(jié)率Lr的計(jì)算公式如下：

其中，Voio 為最大拉載電流時(shí)的輸出電壓；Voim為最小拉載電流時(shí)的輸出電壓；Vonom 為典型值拉載電流時(shí)的輸出電壓。

瞬態(tài)響應(yīng)偏差和時(shí)間：此項(xiàng)測(cè)試用于反映DC-DC轉(zhuǎn)換器輸出電壓對(duì)于輸出電流瞬變的響應(yīng)，包括最大輸出電壓偏移和恢復(fù)到規(guī)定電壓值的時(shí)間。

圖七、瞬態(tài)響應(yīng)電壓偏移和恢復(fù)時(shí)間

測(cè)試方法為首先設(shè)定負(fù)載拉載的大電流和小電流，設(shè)定電流上升、下降斜率、頻率和占空比。艾德克斯IT8900高精度直流負(fù)載均支持動(dòng)態(tài)拉載編程，頻率可高達(dá)25KHz，上升下降斜率可高達(dá)10A/us，占空比可以從1%-99%之間任意設(shè)置。

用戶負(fù)載（波形）模擬：有些DC-DC轉(zhuǎn)換器后級(jí)負(fù)載有其自身的特殊性，拉載波形和動(dòng)態(tài)變化為非常規(guī)波形。艾德克斯IT8900等電子負(fù)載均可以模擬真實(shí)負(fù)載的波形，上升下降斜率高達(dá)10A/us，并且波形數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)在機(jī)器內(nèi)存或通過(guò)內(nèi)置GPIB、LAN、USB、RS232等接口，由上位機(jī)軟件遠(yuǎn)程控制并保存、導(dǎo)出數(shù)據(jù)。

效率測(cè)試：效率反映了DC-DC轉(zhuǎn)換器將電能從輸入端轉(zhuǎn)換到輸出端的有效性。測(cè)試效率時(shí)，輸入、輸出端往往采用額定輸入、輸出電壓。效率Ep從下面公式計(jì)算得出：

其中，Vout and Iout 為輸出端電壓和電流;

Vin and Iin 為轉(zhuǎn)換器輸入端的電壓和電流。IT8900系列的高精度負(fù)載對(duì)于電壓電流的測(cè)試精度可以高達(dá)萬(wàn)分之五，利用這項(xiàng)測(cè)試可以測(cè)試不同拉載功率下的轉(zhuǎn)換效率，可以繪制出效率和輸出電流的關(guān)系曲線。

標(biāo)準(zhǔn)的DC-DC轉(zhuǎn)換器測(cè)試項(xiàng)包括電壓精度、效率、線性/負(fù)載調(diào)節(jié)率和瞬態(tài)響應(yīng)。艾德克斯ITS9500電源測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)置有模塊化交/直流電源、交/直流負(fù)載，開(kāi)關(guān)分析儀（IO卡、繼電器卡、DSO卡），能滿足客戶DC-DC轉(zhuǎn)換器對(duì)于功率、精度和速度的測(cè)試要求，模塊化設(shè)計(jì)更增加了設(shè)計(jì)靈活性。

結(jié)論：

DC-DC轉(zhuǎn)換器的各項(xiàng)性能對(duì)于系統(tǒng)的穩(wěn)定和可靠運(yùn)行至關(guān)重要。無(wú)論是生產(chǎn)前的設(shè)計(jì)驗(yàn)證，亦或是評(píng)估DC-DC轉(zhuǎn)換器在某類產(chǎn)品上的應(yīng)用，都需要一個(gè)可重復(fù)并能精確測(cè)試的流程。

本文介紹了艾德克斯電子負(fù)載IT8900在DC-DC轉(zhuǎn)換器測(cè)試中的優(yōu)勢(shì)：內(nèi)建高精度數(shù)字電壓電流表，并具有高精度電壓、電流波形的時(shí)間量測(cè)功能，內(nèi)置豐富的通訊接口，配套有相關(guān)上位機(jī)軟件，并開(kāi)放SCPI通信協(xié)議，方便客戶組建智能化測(cè)試平臺(tái)。同時(shí)艾德克斯ITS9500電源測(cè)試系統(tǒng)可以測(cè)得40多項(xiàng)測(cè)試項(xiàng)，可以滿足DC-DC轉(zhuǎn)換器更全面的測(cè)試需求。