DC-DC轉換器在新能源汽車上的應用

大多數(shù)電動汽車和混合電動汽車配置使用兩種能量存儲裝置，高能量存儲裝置又叫“主能源系統(tǒng)”（MES），另一個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，電動汽車可以同時使用燃料電池、動力電池包和超級電容器提供電力驅動，這樣可以有效減少成本、體積和提高性能。

DC-DC轉換器是混合動力汽車中輔助電源的一個核心部件。該轉換器需要將能量從12V直流總線轉換到高壓直流總線上（用于電力牽引）。DC-DC轉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，客車的轉換器功率一般大于20 KW，最大高達100 KW。

圖一、電動汽車驅動系統(tǒng)

圖二、混合動力傳動框圖

 圖二這張示意圖具體顯示了混動汽車內部的供電情況。服務電池提供12V標準電壓用于儀表盤、制動裝置和照明。動力電池提供的200-800V高壓電用于牽引系統(tǒng)。動力電池可由混合控制系統(tǒng)和(或)電網(wǎng)經(jīng)AC-DC轉換器進行充電，而12V電池是由動力電池由經(jīng)DC-DC轉換器進行充電。因此，電動汽車的配置可以使用雙向或單向系統(tǒng)。轉換器的可靠性是關鍵因素，因為一個小錯誤就會導致12V服務電池的放電，直接導致整個電子系統(tǒng)的損失。

DC-DC轉換器的測試方法

關于DC-DC轉換器的測試包括效率測試、動態(tài)響應測試、開關機時間測試、保護項測試等等。這些測試可以使用艾德克斯ITS9500電源測試系統(tǒng)自動完成，在產(chǎn)品研發(fā)、設計驗證、批量生產(chǎn)、來貨或驗貨測試、合格試驗等環(huán)節(jié)中都有應用。下面我將重點介紹電源測試系統(tǒng)中的高精度大功率直流負載IT8900系列在DC-DC轉換器中的相關測試項中的應用。IT8900系列電子負載功率范圍從12KW到600KW，可以完全滿足大功率DC-DC轉換器的測試需求。

圖三、DC-DC轉換器的測試接線

測試開、關機電壓和時間：如圖三所示，為待測DC-DC轉換器接線，前級輸入電壓有一定的工作范圍，為了驗證輸入電壓范圍，需要借助可編程直流電源（可以選用艾德克斯IT6500、IT6700H、IT6900系列電子負載）。直流負載IT8900、IT8800、IT8500+可用于拉載電流和模擬后級設備。

測試最小輸入電壓，在DC-DC轉換器打開后使用額定電壓輸入，同時負載滿電流（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。

為了驗證DC-DC轉換器可以在后級滿載時啟動，可以設定輸入電壓最小，關閉再開啟，同時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，電源和負載的遠端量測端子必須連接。

測試開、關機、保持時間，可以利用艾德克斯IT8900直流負載的時間量測功能，可以測試電壓和電流波形的上升下降時間，內部采用18bit、500kbps高速AD采樣，測試精度可以達到10微秒，媲美高精度示波器，如圖三顯示。艾德克斯電源、負載均向客戶開放編程指令，客戶不僅可以使用自帶軟件進行上位機操作或系統(tǒng)操作，也可以自行搭建智能測試平臺。

開機時間是指從最小輸入電壓開始到輸出電壓達到輸出規(guī)定值的時間。關機時間是指從輸入電壓跌落至最小輸入電壓開始到輸出關閉或者電壓跌落至0V為止。如圖四所示。

圖四、開關機時間

保持時間測量采用相同的測試接線，保持時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。這項測試指出DC-DC轉換器在輸入有短時中斷或電壓跌落時輸出的穩(wěn)定性。有些DC-DC轉換器具有輸入失敗檢測信號，此信號亦可作為觸發(fā)此測試的開關。

圖五、保持時間

輸出線性調整率測試：這項測試可測得當輸入電壓從最小操作電壓變化到最大操作電壓時，DC-DC轉換器輸出電壓的范圍，是否符合規(guī)格書標準。

輸出線性調整率測試包括監(jiān)測輸出電壓，改變輸入電壓（從最小值到最大值變動）并記錄輸出電壓偏差（以絕對值或以百分比標注）。

如果輸出端負載的測量精度和輸入端直流電源的精度相當，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直流負載和IT6500直流電源具有相當?shù)碾妷骸㈦娏鳌⒐β蕼y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證輸出電壓的穩(wěn)定性。

輸出線性調整率Ro 可以用以下公式計算出來：

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

輸出負載調節(jié)率：輸出負載調節(jié)率測試保證DC-DC轉換器的輸出電壓穩(wěn)定在標稱值內。這里，輸出電壓的變化會隨著拉載電流的大小而變化并記錄下來。利用電壓差來計算負載調節(jié)率偏差的百分比。負載調節(jié)率Lr的計算公式如下：

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

瞬態(tài)響應偏差和時間：此項測試用于反映DC-DC轉換器輸出電壓對于輸出電流瞬變的響應，包括最大輸出電壓偏移和恢復到規(guī)定電壓值的時間。

圖六、瞬態(tài)響應電壓偏移和恢復時間

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

用戶負載（波形）模擬：有些DC-DC轉換器后級負載有其自身的特殊性，拉載波形和動態(tài)變化為非常規(guī)波形。艾德克斯IT8900等電子負載均可以模擬真實負載的波形，上升下降斜率高達10A/us，并且波形數(shù)據(jù)可以存儲在機器內存或通過內置GPIB、LAN、USB、RS232等接口，由上位機軟件遠程控制并保存、導出數(shù)據(jù)。

效率測試：效率反映了DC-DC轉換器將電能從輸入端轉換到輸出端的有效性。測試效率時，輸入、輸出端往往采用額定輸入、輸出電壓。效率Ep從下面公式計算得出：

其中，Vout and Iout 為輸出端電壓和電流; Vin and Iin 為轉換器輸入端的電壓和電流。IT8900系列的高精度負載對于電壓電流的測試精度可以高達萬分之五，利用這項測試可以測試不同拉載功率下的轉換效率，可以繪制出效率和輸出電流的關系曲線。

標準的DC-DC轉換器測試項包括電壓精度、效率、線性/負載調節(jié)率和瞬態(tài)響應。艾德克斯ITS9500電源測試系統(tǒng)內置有模塊化交/直流電源、交/直流負載，開關分析儀（IO卡、繼電器卡、DSO卡），能滿足客戶DC-DC轉換器對于功率、精度和速度的測試要求，模塊化設計更增加了設計靈活性。

結論：

DC-DC轉換器的各項性能對于系統(tǒng)的穩(wěn)定和可靠運行至關重要。無論是生產(chǎn)前的設計驗證，亦或是評估DC-DC轉換器在某類產(chǎn)品上的應用，都需要一個可重復并能精確測試的流程。

本文介紹了艾德克斯電子負載IT8900在DC-DC轉換器測試中的優(yōu)勢：內建高精度數(shù)字電壓電流表，并具有高精度電壓、電流波形的時間量測功能，內置豐富的通訊接口，配套有相關上位機軟件，并開放SCPI通信協(xié)議，方便客戶組建智能化測試平臺。同時艾德克斯ITS9500電源測試系統(tǒng)可以測得40多項測試項，可以滿足DC-DC轉換器更全面的測試需求。