- 直流電子負載測試方法研究
- 利用已有設(shè)備搭建的驗證平臺進行驗證
- 在驗證平臺上提出了參數(shù)的測試方法
引言
直流電子負載是能吸收直流電能，并將吸收的直流電能耗散、儲存或回饋電網(wǎng)的一種電子電路裝置，該裝置所吸收的電流大小可以調(diào)節(jié)或設(shè)置，其端口輸入特性符合歐姆定律。直流電子負載應(yīng)用量很大，其主要通過模擬實物負載和負載波形，既可以實現(xiàn)對電源供應(yīng)器規(guī)格特性的測試，也可作為ATE或ATS系統(tǒng)的組成單元，在線對充電器、蓄電池等的壽命特性及功率電子元器件的參數(shù)特性進行測試。直流電子負載的種類型號除了美國AGILENT公司、NHR公司、AMETEK公司、德國H&H、日本菊水、韓國UNICORN的產(chǎn)品外，國內(nèi)廠家如山東艾諾、北京大華無線電儀器廠、南京亞銳、杭州威博科技、臺灣CHROMA、I-TECH、固緯、PRODIGIT（博計）等企業(yè)的產(chǎn)品在應(yīng)用量上也占了相當大的份額。
直流電子負載性能特性的好壞將直接影響工程質(zhì)量、性能評價、參數(shù)分析、設(shè)備驗收、校準結(jié)果以及用戶利益，要有針對性能特性的測試方法。但是，目前我國還沒有關(guān)于直流電子負載測試方法的標準，而普遍依據(jù)的測試方法是根據(jù)生產(chǎn)廠商的說明書或用戶協(xié)議進行。因此生產(chǎn)廠商和使用單位以及計量校準單位都意識到：開展直流電子負載測試方法的研究已是當務(wù)之急，因此，本項目在深入調(diào)研，充分試驗論證的基礎(chǔ)上，形成了“直流電子負載測試方法標準草案”，其主要工作體現(xiàn)在規(guī)范直流電子負載術(shù)語、論證直流電子負載參數(shù)測試方法兩方面。
直流電子負載名詞術(shù)語
國內(nèi)外直流電子負載生產(chǎn)廠家較多，種類型號復雜，而我國沒有相關(guān)的標準對直流電子負載的術(shù)語定義、要求、試驗方法、檢驗規(guī)則、安全性能等進行規(guī)范和統(tǒng)一，產(chǎn)品質(zhì)量、性能指標差異較大，名稱術(shù)語均不一致，造成各生產(chǎn)廠家自行其事。
國內(nèi)外直流電子負載雖然型號種類較多，功能和性能指標方面有所差異，但直流電子負載的特性以及相同模式下的功能特性基本是一致的。例如，定電流模式，不同廠家的內(nèi)部電路設(shè)計可能有所差異，但最終實現(xiàn)不論輸入電壓是否改變。我們在廣泛征求國內(nèi)外直流電子負載生產(chǎn)商、用戶和計量校準單位的意見和建議的基礎(chǔ)上，經(jīng)過專家評審，對與直流電子負載負載特性和參數(shù)測量相關(guān)的名詞術(shù)語進行了定義，使其規(guī)范統(tǒng)一標準草案中。
標準草案中，名詞術(shù)語部分主要規(guī)范了直流電子負載、定電流模式、定電壓模式、定電阻模式、定功率模式、靜態(tài)負載模式、動態(tài)負載模式、加載、卸載以及保護功能等名詞術(shù)語，并針對這些術(shù)語進行了定義，例如，將動態(tài)負載模式定義為：直流電子負載輸入端口所吸收的電流按所設(shè)定或選擇的變化規(guī)律及特征參數(shù)隨時間進行變換，此種工作模式稱為動態(tài)負載模式，以典型的梯形波負載波形為例，其特性如圖1所示。其他參數(shù)定義不再一一列舉。
圖1 動態(tài)負載模式定義
1.編制直流電子負載參數(shù)測試方法
直流電子負載參數(shù)，可以分為靜態(tài)負載模式和動態(tài)負載模式兩部分。直流電子負載輸入端口所吸收的電流由所設(shè)定相關(guān)參數(shù)確定，并不隨時間進行變化，此種工作模式稱為靜態(tài)負載模式。定電流模式（CC mode）、定電壓模式（CV mode）、定電阻模式（CR mode）和定功率模式（CP mode）都屬于靜態(tài)負載模式。標準草案分別對靜態(tài)負載模式和動態(tài)負載模式的測試方法進行了詳細的介紹，靜態(tài)參數(shù)模式以定電流調(diào)整度為例，進行介紹。
定電流調(diào)整度測試步驟如下：
(1) 按圖2進行連接，設(shè)置直流電子負載為定電流模式，選擇需要測試的電流量程。
圖2 電流測量/設(shè)置誤差測試連接圖
(2) 設(shè)置直流穩(wěn)壓電源的電流輸出高于定電流模式的電流滿量程值，設(shè)置電壓高于直流電子負載的起始工作電壓。
(3) 啟動直流穩(wěn)壓電源輸出，直流電子負載啟動加載。電流測試點按量程從低到高每個量程不少于3個點均勻選取。
(4) 直流電子負載的電流設(shè)置值為I1，數(shù)字多用表的電壓測量值為U，根據(jù)公式（1）計算得到流過分流器R的電流值I0，讀取直流電子負載的電流測量值I2，根據(jù)公式（2）計算得到電流設(shè)置誤差△I1。
I0=U/R (1)
式中：
I:流過分流器R的電流值，單位為安培（A）；
U:數(shù)字多用表的電壓測量值，單位為伏特（V）；
R:分流器的數(shù)值，單位為歐姆（Ω）；
△I1=I1-I0 (2)
式中：
△I1:直流電子負載的電流設(shè)置誤差，單位為安培（A）；
I1:直流電子負載的電流設(shè)置值，單位為安培（A）；
根據(jù)公式（3）計算得到電流測量誤差△I2。
△I2=I2-I0 (3)
式中：
△I2:直流電子負載的電流測量誤差，單位為安培（A）；
I2:直流電子負載的電流測量值，單位為安培（A）
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2.搭建測試平臺，驗證測試方法
為完成直流電子負載測試方法的研究，利用已有設(shè)備搭建了試驗驗證平臺，對測試方法的科學性、合理性及可操作性進行試驗驗證，圖1為搭建的試驗驗證平臺。利用測試平臺，對直流電子負載靜態(tài)負載模式和動態(tài)負載模式的測試方法進行了驗證。搭建的直流電子負載試驗驗證平臺，能夠覆蓋直流電壓高達到600V，直流電流達到500A，功率最大為30kW，轉(zhuǎn)換速率1A/ms～0.5A/μs，負載波形頻率最大10kHz的直流電子負載參數(shù)的校準和測試需求。此測試平臺的搭建，對前面所論述的直流電子負載不同工作模式下關(guān)鍵參數(shù)的測試方法的科學性、通用性和適用性起到試驗驗證的作用。
3 直流電子負載測試方法驗證平臺
評定測量不確定度
對測試方法的測試結(jié)果進行不確定度分析，也是一項非常重要的工作。標準草案的附件部分，對試驗驗證平臺的測量不確定度進行了分析，以保證利用該測試方法給出的測試結(jié)果準確可靠。以定電流模式下測量不確定度評定為例進行說明，覆蓋直流電子負載參數(shù)有：電流設(shè)置誤差、電流測量誤差和定電流模式調(diào)整度
1) 測量方法
采用間接測量法。測量連接圖如圖2所示，用直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源輸出電流，用數(shù)字多用表測量精密分流器R兩端電壓，計算得到電流實際值。
2) 數(shù)學模型
啟動直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源輸出，直流電子負載啟動加載，直流電子負載的電流設(shè)置值為I1，流過分流器R的電流實際值為I0（I0=U/R），直流電子負載的電流測量值為I2。
電流設(shè)置誤差△I1=I1-U/R；電流測量誤差△I2=I2-U/R
3) 不確定度來源
不確定來源如表1所示。
表1 各不確定度分量一覽表(3A測試點)
4) 合成標準不確定度
由于以上各測量結(jié)果不確定度分量獨立不相關(guān)，故測量結(jié)果的合成標準不確定度為
5) 擴展不確定度
取k=2，得到擴展不確定度U=k×uc=0.08%
結(jié)束語
本文結(jié)合國防軍工電子標準化研究項目“直流電子負載測試方法研究”，提出了直流電子負載測試方法標準草案。草案中，提出了規(guī)范的直流電子負載名詞術(shù)語，在直流電子負載試驗驗證平臺試驗驗證的基礎(chǔ)上，提出了參數(shù)的測試方法。
