脈沖電流測量線圈試驗(yàn)驗(yàn)證平臺的研制

常 亮 ，朱望純 ，劉 沖

（1.桂林電子科技大學(xué)，廣西 桂林 541004；2.中國電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院，北京100176）

0 前言

脈沖電流測量線圈主要用在測量功率半導(dǎo)體器件測試系統(tǒng)內(nèi)部的脈沖電流等方面[1]，功率半導(dǎo)體器件測試系統(tǒng)內(nèi)部脈沖電流信號上升時間約十幾個微秒到幾十個微秒，電流幅值達(dá)到數(shù)千安培，要求的脈沖電流測量線圈能準(zhǔn)確的對其測量[2]。由于脈沖電流測量線圈性能參數(shù)是否達(dá)到要求，無法斷定，脈沖電流測量線圈能否準(zhǔn)確測量功率半導(dǎo)體器件測試系統(tǒng)內(nèi)部脈沖電流信號，更無從獲知。脈沖電流測量線圈性能參數(shù)直接關(guān)聯(lián)著功率半導(dǎo)體器件測試系統(tǒng)性能的優(yōu)越，因此采取更加合理的驗(yàn)證平臺驗(yàn)證脈沖電流測量線圈非常關(guān)鍵。脈沖電流測量線圈性能參數(shù)頻帶特性約幾千赫茲到上百千赫茲，電流幅值約3 000 A，因此，研建的脈沖電流測量線圈試驗(yàn)驗(yàn)證平臺上升時間約幾個微秒，下降時間約幾十個微秒，電流幅值不小于3 000 A.

1 驗(yàn)證平臺原理分析

脈沖電流測量線圈試驗(yàn)驗(yàn)證平臺使用非振蕩放電原理，產(chǎn)生非振蕩脈沖電流波，其原理：高壓源對儲能電容器充電，待充電完成后，經(jīng)放電開關(guān)將存儲的電能快速泄放到負(fù)載上，得到脈沖電流波[3]，電路如圖1所示。

圖1 驗(yàn)證平臺原理圖

開關(guān)S1閉合，S2斷開，直流高壓源開始對電容C進(jìn)行充電，待電容C電壓達(dá)到 時，開關(guān)S1斷開，S2閉合，電容與電感L和負(fù)載R形成電路回路，電容在回路開始放電，根據(jù)KVL方程則有：

根據(jù)電容、電感元件特性有：

式（2）是一個線性常系數(shù)二階齊次微分方程，令UC=Aept，代入式（2）得特征方程：

非振蕩放電過程，須滿足：

因而p1和p2是兩個不等的負(fù)實(shí)根，則方程的特征根為：

根據(jù)初始狀態(tài)條件可以得出：

產(chǎn)生在負(fù)載R的電流：

在放電過程電流從小到大最后趨于零的變化，電流達(dá)最大值的時刻由

得出：

代入tm便可得出電流最大值：

經(jīng)上述推導(dǎo)，從式（5）、（9）可以得出：增大電容 C和減小電感L可以得到更小脈沖電流波的上升時間。從式（10）可以得出：產(chǎn)生的電流波形的電流幅度與電容器存儲的電能成正比，對于負(fù)載電阻，負(fù)載電阻值越小，產(chǎn)生的電流波形的輸出電流幅度越大，反之，負(fù)載電阻值越大，產(chǎn)生的電流波形的輸出電流幅度越小。綜合分析，提高電容器容值，減小電感值以及合理選擇放電回路負(fù)載電阻，便能得到特定電流幅度和上升時間的脈沖電流波形。

2 驗(yàn)證平臺的研制

脈沖電流測量線圈的頻帶幾千赫茲到上百千赫茲，需要建立的脈沖電流信號的上升時間約幾個微秒，下降時間為幾十個微秒，根據(jù)此需求研制出能對頻帶特性在上十千赫茲到上百千赫茲的脈沖電流測量線圈進(jìn)行試驗(yàn)的驗(yàn)證平臺，驗(yàn)證平臺需要選擇上升時間約3.5μs、下降時間約35μs，且測量的電流幅值3 000 A.

2.1 驗(yàn)證平臺仿真

驗(yàn)證平臺采用軟件ATP（The Alternative Transients Program）仿真，目前，仿真軟件ATP是應(yīng)用非常廣泛的電磁暫態(tài)分析軟件，在電力電子系統(tǒng)經(jīng)常用來仿真[3]。根據(jù)驗(yàn)證平臺原理得出仿真電路網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示，負(fù)載電阻R端輸出脈沖電流波形。

圖2 驗(yàn)證平臺仿真電路

2.2 負(fù)載電阻對驗(yàn)證平臺的影響

采用負(fù)載電阻值分別為2Ω、1Ω、0.5Ω，電容值均為15μF，電感為1.25μH進(jìn)行輸出電流波形仿真，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同負(fù)載電阻的驗(yàn)證平臺波形仿真

從仿真結(jié)果可以得出：負(fù)載電阻值越大，脈沖電流波幅值越小、下降時間越大，脈沖電流波上升時間反而延長。

2.3 調(diào)波電感對驗(yàn)證平臺的影響

設(shè)置儲能電容15μF，負(fù)載電阻為1Ω，調(diào)波電感分別為2.5μH、1.25μH、0.625μH進(jìn)行輸出電流波形仿真，仿真波形如圖4所示。

圖4 不同調(diào)波電感的驗(yàn)證平臺波形仿真

從仿真結(jié)果可以得出：調(diào)波電感越大，脈沖電流波上升時間越長，調(diào)波電感過小輸出電流波形失真。

2.4 儲能電容對驗(yàn)證平臺的影響

保持電感、負(fù)載參數(shù)不變，即儲能電感1.25μH，負(fù)載電阻為1Ω，儲能電容分別為30μF、15μF、7.5 μF進(jìn)行輸出電流波形仿真，仿真波形如圖5所示。

圖5 不同儲能電容的驗(yàn)證平臺波形仿真

從仿真結(jié)果可以得出：儲能電容越大，脈沖電流波幅值越大、下降時間越大，且脈沖電流波上升時間基本不變。

2.5 驗(yàn)證平臺的設(shè)計(jì)

通過軟件ATP對脈沖電流測量線圈試驗(yàn)驗(yàn)證平臺進(jìn)行仿真，按照儲能電容C=15μF，調(diào)波電感L=1.25μH，負(fù)載電阻R2=1Ω進(jìn)行輸出電流波形仿真，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 脈沖電流測量線圈試驗(yàn)驗(yàn)證平臺仿真

根據(jù)驗(yàn)證平臺原理設(shè)計(jì)驗(yàn)證平臺電路工作原理圖[3]，如圖7所示，脈沖電流源電路工作原理[4-5]通過定制的直流高壓源，整流二極管D與限流電阻R1，充電開關(guān)K1的閉合實(shí)現(xiàn)對儲能電容C進(jìn)行充電，充電完成充電開關(guān)K1斷開；再通過放電開關(guān)K2的閉合，儲能電容C通過調(diào)波電感L與負(fù)載電阻R2進(jìn)行放電[6]，產(chǎn)生脈沖電流波。

圖7 驗(yàn)證平臺電路工作原理圖

根據(jù)仿真結(jié)果結(jié)合實(shí)際所需，得出相關(guān)參數(shù)（L=1.25μH、C=15μF、R=1Ω），設(shè)計(jì)了如圖 8所示驗(yàn)證平臺總體框圖，實(shí)驗(yàn)平臺主要由電流發(fā)生單元和監(jiān)測控制單元組成，電流發(fā)生單元是實(shí)驗(yàn)平臺的核心，使用電容的儲能特性對電路網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行充放電，產(chǎn)生脈沖電流波；監(jiān)測控制單元實(shí)現(xiàn)對電流發(fā)生單元的開關(guān)量進(jìn)行控制，同時監(jiān)測電流發(fā)生單元的電流相關(guān)信息。

圖8 驗(yàn)證平臺總體設(shè)計(jì)框圖

經(jīng)過上述分析、設(shè)計(jì)，需要選擇的元器件包括：負(fù)載電阻、儲能電容、調(diào)波電感、電阻、高壓電源、放電開關(guān)、充電開關(guān)、整流硅堆、PLC控制器、觸摸屏、分壓電阻臂、模擬量輸入模塊等。針對驗(yàn)證平臺的電流幅度和時間參數(shù)的要求，選擇元器件有特定的要求，主要元器件的選型著重考慮如下：

（1）負(fù)載電阻

由于電感對電流波形影響非常大，要求無感性的負(fù)載電阻，負(fù)載電阻須采用無感電阻。

（2）儲能電容

驗(yàn)證平臺的電流幅度達(dá)到幾千安，要求儲能電容有足夠強(qiáng)的耐壓能力。

（3）放電開關(guān)

驗(yàn)證平臺的脈沖電流波電流幅度達(dá)到幾千安，響應(yīng)時間在幾個微秒，要求放電開關(guān)有非常強(qiáng)的通流能力，并且開關(guān)速度須達(dá)到ns級。

（4）充電開關(guān)

驗(yàn)證平臺的脈沖電流波電流幅度達(dá)到幾千安，充電開關(guān)需要有防電弧的功能，且額定電壓要足夠高。

（5）高壓電源

選擇的高壓電源輸出電壓能力需達(dá)到3 000 V以上，放電回路存在一定電阻，需要留有一定的裕量，要求電壓輸出穩(wěn)定度精度越高越好。

（6）分壓電阻臂

分壓電阻臂主要是將儲能電容的端電壓的轉(zhuǎn)換成監(jiān)測控制單元能夠處理的低電壓信號，選擇的分壓電阻額定電壓不應(yīng)小于儲能電容電壓。

（7）整流硅堆

整流硅堆作為電流發(fā)生單元的的保護(hù)二極管，具有防止電流反向的作用以及在限流電阻出現(xiàn)異常時限制電流的作用，選擇的整流硅堆整流能力須大于充電電流。

經(jīng)過設(shè)計(jì)、安裝、固定，最終搭建如圖9所示的驗(yàn)證平臺。

圖9 驗(yàn)證平臺實(shí)物圖

經(jīng)測試驗(yàn)證平臺波形如圖10所示。

圖10 脈沖電流測量線圈試驗(yàn)驗(yàn)證平臺電流波形

從波形上看與仿真波形一致，在性能參數(shù)上還需要進(jìn)一步經(jīng)過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

3 驗(yàn)證平臺性能參數(shù)驗(yàn)證

驗(yàn)證平臺性能參數(shù)包括時間參數(shù)（上升時間和下降時間）和電流幅度，驗(yàn)證平臺時間參數(shù)在μs級，電流幅度幾千安，因此需要采取適宜的設(shè)備對其性能參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 驗(yàn)證平臺時間參數(shù)驗(yàn)證

測試采用儀器為示波器MSO4104B和刻度因數(shù)為1 000 A/V的皮爾森電流線圈，其連接如圖11所示。

圖11 驗(yàn)證平臺時間參數(shù)驗(yàn)證連接圖

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)得出驗(yàn)證平臺時間參數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 驗(yàn)證平臺時間參數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

分析驗(yàn)證平臺的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，取上升時間的平均值為2.6μs，同理取下降時間的平均值為35μs，因此經(jīng)過測試數(shù)據(jù)分析驗(yàn)證平臺的上升時間為2.6μs，下降時間35.0μs，電流幅值可達(dá)3 000 A.

3.2 驗(yàn)證平臺電流幅度驗(yàn)證

測試采用儀器為數(shù)據(jù)采集卡NIPCI-5124結(jié)合軟件LabVIEW8.5和刻度因數(shù)為1000A/V的皮爾森電流線圈，連接如圖12所示。

圖12 驗(yàn)證平臺電流幅度驗(yàn)證連接圖

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)得出驗(yàn)證平臺電流幅值實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 電流幅度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從驗(yàn)證平臺得出的電流幅度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出：電流幅度可以達(dá)到3 000 A，且誤差優(yōu)于2%.

4 結(jié)束語

通過對脈沖電流測量線圈試驗(yàn)驗(yàn)證平臺的原理和電路仿真分析，得出了影響脈沖電流測量線圈試驗(yàn)驗(yàn)證平臺波形電流幅值主要因子有負(fù)載電阻、儲能電容，且負(fù)載電阻值越小、儲能電容越大、幅值越大；影響脈沖電流測量線圈試驗(yàn)驗(yàn)證平臺波形時間參數(shù)主要因子有負(fù)載電阻、儲能電容、調(diào)波電感，且負(fù)載電阻值越大、儲能電容越大，下降時間越大，低頻特性提高，負(fù)載電阻值越小、調(diào)波電感越小，上升時間越小，高頻特性提高。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證研建的脈沖電流測量線圈試驗(yàn)驗(yàn)證平臺上升時間為2.6μs、下降時間35μs、電流幅值3000 A，且電流幅值技術(shù)指標(biāo)優(yōu)于±2%.