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、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)換器的測試方法

關(guān)于DC-DC轉(zhuǎn)換器的測試包括效率測試、動(dòng)態(tài)響應(yīng)測試、開關(guān)機(jī)時(shí)間測試、保護(hù)項(xiàng)測試等等。這些測試可以使用艾德克斯ITS9500電源測試系統(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)、來貨或驗(yàn)貨測試、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)換器的測試需求。

圖三、DC-DC轉(zhuǎn)換器的測試接線

測試開、關(guān)機(jī)電壓和時(shí)間：如圖三所示，為待測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。

測試最小輸入電壓，在DC-DC轉(zhuǎn)換器打開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)閉再開啟，同時(shí)測量輸出端的電壓和電流。測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。為了保證測試精度，電源和負(fù)載的遠(yuǎn)端量測端子必須連接。

測試開、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)間量測功能，可以測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試平臺(tái)。

開機(jī)時(shí)間是指從最小輸入電壓開始到輸出電壓達(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、開關(guān)機(jī)時(shí)間

保持時(shí)間測量采用相同的測試接線，保持時(shí)間是指從輸入跌落至最小輸入電壓開始到輸出電壓跌落至最小工作電壓為止。這項(xiàng)測試指出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信號(hào)，此信號(hào)亦可作為觸發(fā)此測試的開關(guān)。

圖五、保持時(shí)間

輸出線性調(diào)整率測試：這項(xiàng)測試可測得當(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)格書標(biāo)準(zhǔn)。

輸出線性調(diào)整率測試包括監(jiān)測輸出電壓，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)載的測量精度和輸入端直流電源的精度相當(dāng)，那就沒有必要外加數(shù)字萬用表（DMM）測量電壓、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、功率測試精度，因此無需外加DMM表。而測試系統(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：

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。利用電壓差來計(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)于電壓電流的測試精度可以高達(dá)萬分之五，利用這項(xiàng)測試可以測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電源測試系統(tǒng)內(nèi)置有模塊化交/直流電源、交/直流負(fù)載，開關(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)換器測試中的優(yōu)勢：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，并開放SCPI通信協(xié)議，方便客戶組建智能化測試平臺(tái)。同時(shí)艾德克斯ITS9500電源測試系統(tǒng)可以測得40多項(xiàng)測試項(xiàng)，可以滿足DC-DC轉(zhuǎn)換器更全面的測試需求。