摘要： 本文詳細(xì)介紹了DC-DC轉(zhuǎn)換器的在電動(dòng)汽車(chē)中的應(yīng)用，以及對(duì)其進(jìn)行電壓精度,、效率,、線性/負(fù)載調(diào)節(jié)率和瞬態(tài)響應(yīng)等測(cè)試方法，重點(diǎn)介紹了艾德克斯IT8900大功率直流負(fù)載在DC-DC測(cè)試中的優(yōu)勢(shì)以及ITS9500電源測(cè)試系統(tǒng)的特點(diǎn)功能,。
正文
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(chē),、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(chē)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(chē)上的應(yīng)用
大多數(shù)電動(dòng)汽車(chē)和混合電動(dòng)汽車(chē)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(chēng)“可充電能源系統(tǒng)”（RESS）。如圖一所示,，電動(dòng)汽車(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)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)。
圖三,、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,。
圖四,、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),。
圖五,、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)碾妷骸㈦娏?、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(chēng)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。
圖六,、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(lèi)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,。