直流電子負載測試方法研究

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、儲存或回饋電網的一種電子電路裝置，該裝置所吸收的電流大小可以調節(jié)或設置，其端口輸入特性符合歐姆定律。直流電子負載應用量很大，其主要通過模擬實物負載和負載波形，既可以實現對電源供應器規(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的產品外，國內廠家如山東艾諾、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)的產品在應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量、性能評價、參數分析、設備驗收、校準結果以及用戶利益，要有針對性能特性的測試方法。但是，目前我國還沒有關于直流電子負載測試方法的標準，而普遍依據的測試方法是根據生產廠商的說明書或用戶協(xié)議進行。因此生產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之急，因此，本項目在深入調研，充分試驗論證的基礎上，形成了“直流電子負載測試方法標準草案”，其主要工作體現在規(guī)范直流電子負載術語、論證直流電子負載參數測試方法兩方面。

直流電子負載名詞術語
國內外直流電子負載生產廠家較多，種類型號復雜，而我國沒有相關的標準對直流電子負載的術語定義、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，產品質量、性能指標差異較大，名稱術語均不一致，造成各生產廠家自行其事。

國內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，不同廠家的內部電路設計可能有所差異，但最終實現不論輸入電壓是否改變。我們在廣泛征求國內外直流電子負載生產商、用戶和計量校準單位的意見和建議的基礎上，經過專家評審，對與直流電子負載負載特性和參數測量相關的名詞術語進行了定義，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語，并針對這些術語進行了定義，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定或選擇的變化規(guī)律及特征參數隨時間進行變換，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。其他參數定義不再一一列舉。

圖1 動態(tài)負載模式定義

編制直流電子負載參數測試方法
直流電子負載參數，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定相關參數確定，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)參數模式以定電流調整度為例，進行介紹。

定電流調整度測試步驟如下：
(1) 按圖2進行連接，設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/設置誤差測試連接圖

(2) 設置直流穩(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置值為I1，數字多用表的電壓測量值為U，根據公式（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，根據公式（2）計算得到電流設置誤差△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:數字多用表的電壓測量值，單位為伏特（V）；
R:分流器的數值，單位為歐姆（Ω）；
△I1=I1-I0 (2)
式中：
△I1:直流電子負載的電流設置誤差，單位為安培（A）；
I1:直流電子負載的電流設置值，單位為安培（A）；
根據公式（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）

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鍵參數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有：電流設置誤差、電流測量誤差和定電流模式調整度

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
由于以上各測量結果不確定度分量獨立不相關，故測量結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%

結束語
本文結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語，在直流電子負載試驗驗證平臺試驗驗證的基礎上，提出了參數的測試方法。