直流电子负载测试方法研究

引言
直流电子负载是能吸收直流电能，并将吸收的直流电能耗散、储存或回馈电网的一种电子电路装置，该装置所吸收的电流大小可以调节或设置，其端口输入特性符合欧姆定律。直流电子负载应用量很大，其主要通过模拟实物负载和负载波形，既可以实现对电源供应器规格特性的测试，也可作为ATE或ATS系统的组成单元，在线对充电器、蓄电池等的寿命特性及功率电子元器件的参数特性进行测试。直流电子负载的种类型号除了美国AGILENT公司、NHR公司、AMETEK公司、德国H&H、日本菊水、韩国UNICORN的产品外，国内厂家如山东艾诺、北京大华无线电仪器厂、南京亚锐、杭州威博科技、台湾CHROMA、I-TECH、固纬、PRODIGIT（博计）等企业的产品在应用量上也占了相当大的份额。

直流电子负载性能特性的好坏将直接影响工程质量、性能评价、参数分析、设备验收、校准结果以及用户利益，要有针对性能特性的测试方法。但是，目前我国还没有关于直流电子负载测试方法的标准，而普遍依据的测试方法是根据生产厂商的说明书或用户协议进行。因此生产厂商和使用单位以及计量校准单位都意识到：开展直流电子负载测试方法的研究已是当务之急，因此，本项目在深入调研，充分试验论证的基础上，形成了“直流电子负载测试方法标准草案”，其主要工作体现在规范直流电子负载术语、论证直流电子负载参数测试方法两方面。

直流电子负载名词术语
国内外直流电子负载生产厂家较多，种类型号复杂，而我国没有相关的标准对直流电子负载的术语定义、要求、试验方法、检验规则、安全性能等进行规范和统一，产品质量、性能指标差异较大，名称术语均不一致，造成各生产厂家自行其事。

国内外直流电子负载虽然型号种类较多，功能和性能指标方面有所差异，但直流电子负载的特性以及相同模式下的功能特性基本是一致的。例如，定电流模式，不同厂家的内部电路设计可能有所差异，但最终实现不论输入电压是否改变。我们在广泛征求国内外直流电子负载生产商、用户和计量校准单位的意见和建议的基础上，经过专家评审，对与直流电子负载负载特性和参数测量相关的名词术语进行了定义，使其规范统一标准草案中。

标准草案中，名词术语部分主要规范了直流电子负载、定电流模式、定电压模式、定电阻模式、定功率模式、静态负载模式、动态负载模式、加载、卸载以及保护功能等名词术语，并针对这些术语进行了定义，例如，将动态负载模式定义为：直流电子负载输入端口所吸收的电流按所设定或选择的变化规律及特征参数随时间进行变换，此种工作模式称为动态负载模式，以典型的梯形波负载波形为例，其特性如图1所示。其他参数定义不再一一列举。

图1 动态负载模式定义

编制直流电子负载参数测试方法
直流电子负载参数，可以分为静态负载模式和动态负载模式两部分。直流电子负载输入端口所吸收的电流由所设定相关参数确定，并不随时间进行变化，此种工作模式称为静态负载模式。定电流模式（CC mode）、定电压模式（CV mode）、定电阻模式（CR mode）和定功率模式（CP mode）都属于静态负载模式。标准草案分别对静态负载模式和动态负载模式的测试方法进行了详细的介绍，静态参数模式以定电流调整度为例，进行介绍。

定电流调整度测试步骤如下：
(1) 按图2进行连接，设置直流电子负载为定电流模式，选择需要测试的电流量程。

图2 电流测量/设置误差测试连接图

(2) 设置直流稳压电源的电流输出高于定电流模式的电流满量程值，设置电压高于直流电子负载的起始工作电压。

(3) 启动直流稳压电源输出，直流电子负载启动加载。电流测试点按量程从低到高每个量程不少于3个点均匀选取。

(4) 直流电子负载的电流设置值为I1，数字多用表的电压测量值为U，根据公式（1）计算得到流过分流器R的电流值I0，读取直流电子负载的电流测量值I2，根据公式（2）计算得到电流设置误差△I1。

I0=U/R (1)
式中：
I:流过分流器R的电流值，单位为安培（A）；
U:数字多用表的电压测量值，单位为伏特（V）；
R:分流器的数值，单位为欧姆（Ω）；
△I1=I1-I0 (2)
式中：
△I1:直流电子负载的电流设置误差，单位为安培（A）；
I1:直流电子负载的电流设置值，单位为安培（A）；
根据公式（3）计算得到电流测量误差△I2。
△I2=I2-I0 (3)
式中：
△I2:直流电子负载的电流测量误差，单位为安培（A）；
I2:直流电子负载的电流测量值，单位为安培（A）

搭建测试平台，验证测试方法
为完成直流电子负载测试方法的研究，利用已有设备搭建了试验验证平台，对测试方法的科学性、合理性及可操作性进行试验验证，图1为搭建的试验验证平台。利用测试平台，对直流电子负载静态负载模式和动态负载模式的测试方法进行了验证。搭建的直流电子负载试验验证平台，能够覆盖直流电压高达到600V，直流电流达到500A，功率最大为30kW，转换速率1A/ms～0.5A/μs，负载波形频率最大10kHz的直流电子负载参数的校准和测试需求。此测试平台的搭建，对前面所论述的直流电子负载不同工作模式下关键参数的测试方法的科学性、通用性和适用性起到试验验证的作用。

3 直流电子负载测试方法验证平台
 

评定测量不确定度
对测试方法的测试结果进行不确定度分析，也是一项非常重要的工作。标准草案的附件部分，对试验验证平台的测量不确定度进行了分析，以保证利用该测试方法给出的测试结果准确可靠。以定电流模式下测量不确定度评定为例进行说明，覆盖直流电子负载参数有：电流设置误差、电流测量误差和定电流模式调整度

1) 测量方法
采用间接测量法。测量连接图如图2所示，用直流稳压稳流电源输出电流，用数字多用表测量精密分流器R两端电压，计算得到电流实际值。

2) 数学模型
启动直流稳压稳流电源输出，直流电子负载启动加载，直流电子负载的电流设置值为I1，流过分流器R的电流实际值为I0（I0=U/R），直流电子负载的电流测量值为I2。
电流设置误差△I1=I1-U/R；电流测量误差△I2=I2-U/R

3) 不确定度来源
不确定来源如表1所示。

表1 各不确定度分量一览表(3A测试点)

4) 合成标准不确定度
由于以上各测量结果不确定度分量独立不相关，故测量结果的合成标准不确定度为

5) 扩展不确定度
取k=2，得到扩展不确定度U=k×uc=0.08%

结束语
本文结合国防军工电子标准化研究项目“直流电子负载测试方法研究”，提出了直流电子负载测试方法标准草案。草案中，提出了规范的直流电子负载名词术语，在直流电子负载试验验证平台试验验证的基础上，提出了参数的测试方法。