一種用于電流環(huán)校準(zhǔn)的瞬態(tài)電流倍增器設(shè)計(jì)

何 鵬，朱宇潔

(1. 電子科技大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院，四川 成都 611731; 2. 中國(guó)工程物理研究院計(jì)量測(cè)試中心，四川 綿陽(yáng) 621900)

0 引 言

脈沖功率技術(shù)在最近的半個(gè)世紀(jì)里得到了迅速發(fā)展，國(guó)防科研的需求為脈沖功率發(fā)展提供了極大的推動(dòng)力，在世界各地造就了一批各有特色的脈沖功率發(fā)生器或裝置，多數(shù)都服務(wù)于與高能量密度物理或高強(qiáng)度輻射源相關(guān)的科研或技術(shù)開發(fā)工作[1-3]。上述應(yīng)用領(lǐng)域?qū)γ}沖大電流的測(cè)試有廣泛的需求，信號(hào)從波形特征上來說主要為阻尼振蕩衰減模式，幅度通常為千安量級(jí)甚至是上百千安量級(jí)，脈沖底寬為微秒量級(jí)。針對(duì)該類脈沖大電流信號(hào)的測(cè)量，通常采用非接觸式的電流環(huán)或電流探頭（B-dot探頭或電流線圈）與數(shù)字示波器共同組成脈沖強(qiáng)流測(cè)試系統(tǒng)。其中，數(shù)字示波器的校準(zhǔn)技術(shù)已較為成熟，而電流環(huán)受限于校準(zhǔn)裝置的信號(hào)輸出能力以及應(yīng)用需求推動(dòng)，相關(guān)校準(zhǔn)技術(shù)研究多數(shù)面向工頻或小量程校準(zhǔn)，對(duì)于應(yīng)用于脈沖領(lǐng)域所需的瞬態(tài)大量程校準(zhǔn)始終未得到有效解決[4]。作為脈沖功率裝置的主要表征和核心參數(shù)，脈沖大電流信號(hào)的準(zhǔn)確測(cè)量不僅可以有效衡量裝置性能，同時(shí)可為物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果分析提供重要入口參數(shù)。通過開展脈沖強(qiáng)流參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)所用電流環(huán)的滿量程校準(zhǔn)技術(shù)研究，對(duì)于精密物理實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和結(jié)果分析所需參數(shù)的獲取、脈沖功率裝置輸出參數(shù)測(cè)量判定以及技術(shù)性能和質(zhì)量的評(píng)估具有重要作用。

現(xiàn)階段，針對(duì)電流環(huán)校準(zhǔn)主要有分流器法、小信號(hào)校準(zhǔn)后線性外推法[5-6]、工頻或沖擊波形條件下校準(zhǔn)[7-8]。其中，分流器法需要將高準(zhǔn)確度脈沖分流器介入到待校脈沖強(qiáng)流參數(shù)產(chǎn)生回路中，會(huì)在一定程度上影響輸出信號(hào)電氣特性，從而進(jìn)一步影響校準(zhǔn)結(jié)果置信度[9]。因此，校準(zhǔn)電流環(huán)時(shí)仍需采用滿足量傳比需求的高準(zhǔn)確度非接觸式方法。小信號(hào)校準(zhǔn)線性外推法不足是被校電流環(huán)由于材料與工藝的批次一致性在一定程度上存在差別，且在大信號(hào)下電流環(huán)所處相對(duì)較復(fù)雜的電磁環(huán)境可能會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果帶來影響。工頻或沖擊波形下校準(zhǔn)方法激勵(lì)信號(hào)產(chǎn)生裝置的體積較大、帶載能力差、輸出瞬態(tài)電流較小，難以滿足滿量程校準(zhǔn)需求[10]。隨著脈沖功率技術(shù)的發(fā)展以及物理分析的進(jìn)步，對(duì)脈沖強(qiáng)流參數(shù)測(cè)量準(zhǔn)確性的需求越來越強(qiáng)，對(duì)電流環(huán)進(jìn)行滿量程校準(zhǔn)是保證脈沖強(qiáng)流參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)校準(zhǔn)結(jié)果置信度的重要保證。

本文以脈沖電流測(cè)量系統(tǒng)中電流環(huán)的滿量程校準(zhǔn)需求為設(shè)計(jì)目標(biāo)，基于感應(yīng)電流倍增的原理設(shè)計(jì)了一種基于PCB的瞬態(tài)電流倍增器，對(duì)其電氣參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算和仿真分析，對(duì)欠阻尼脈沖電流輸入信號(hào)情況下的感應(yīng)電流倍增情況進(jìn)行了試驗(yàn)，驗(yàn)證了所設(shè)計(jì)的瞬態(tài)電流倍增器的功能和指標(biāo)，可用于實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖電流測(cè)試系統(tǒng)中的電流環(huán)進(jìn)行滿量程校準(zhǔn)。

1 校準(zhǔn)現(xiàn)狀分析

目前，針對(duì)電流環(huán)的滿量程校準(zhǔn)方法主要是利用標(biāo)準(zhǔn)表法。該方法利用激勵(lì)源輸出校準(zhǔn)所需的脈沖大電流信號(hào)，將被檢電流環(huán)和標(biāo)準(zhǔn)電流環(huán)同時(shí)套接在信號(hào)傳輸路徑上進(jìn)行測(cè)量，用標(biāo)準(zhǔn)電流環(huán)所測(cè)結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)值對(duì)被檢電流環(huán)進(jìn)行量傳。利用標(biāo)準(zhǔn)表法開展電流環(huán)滿量程校準(zhǔn)主要有兩種形式，一種是利用沖擊高壓裝置產(chǎn)生脈沖大電流信號(hào)作為激勵(lì)源。但沖擊高壓裝置的帶載能力不足，校準(zhǔn)所需的瞬態(tài)電流幅度越大，對(duì)裝置的工作電壓以及絕緣要求越高，激勵(lì)源的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)較大且操作便捷性較差。另一種是利用電流輸出線纜將標(biāo)準(zhǔn)電流環(huán)和待溯源電流環(huán)進(jìn)行螺旋纏繞。由于該種繞制方式下電流環(huán)內(nèi)孔通過的電流方向始終保持一致，電流環(huán)測(cè)得電流即可得到增加。該方法成本較低，實(shí)現(xiàn)途徑相對(duì)簡(jiǎn)單，因此是目前部分實(shí)驗(yàn)室所采用的實(shí)際校準(zhǔn)方法。但是，在實(shí)際應(yīng)用中該方法輸出線纜螺旋纏繞部分可等效為電感，對(duì)激勵(lì)源的波形特征有較大影響。另外，手工進(jìn)行線匝螺旋繞制時(shí)，難以保證線匝間相對(duì)位置，線匝間重疊區(qū)域在匝數(shù)較多時(shí)易發(fā)生擊穿打火現(xiàn)象，需反復(fù)調(diào)整甚至是重新繞制，從而影響校準(zhǔn)過程的效率，如圖1所示。因此，高效便捷地實(shí)現(xiàn)對(duì)電流環(huán)螺旋繞制后的感應(yīng)電流無失真放大是本文研究的目的所在。

圖1 線匝螺旋繞制對(duì)比示意圖

2 瞬態(tài)電流倍增器組成及工作原理

基于參數(shù)固化、效率提升的考慮，本文所設(shè)計(jì)的瞬態(tài)電流倍增器主要由兩塊鏡像交疊的PCB電路板和接插件組成，設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮了線纜繞制過程中的感應(yīng)電流波形畸變、擊穿打火以及工作效率低下等問題。所設(shè)計(jì)的瞬態(tài)電流倍增器工作模式為套接方式，即在被檢電流環(huán)和標(biāo)準(zhǔn)電流環(huán)通過接插件直接扣合在兩塊電路板中，可有效避免手工螺旋繞制線纜所花費(fèi)的較多準(zhǔn)備時(shí)間。工作時(shí)，將電流激勵(lì)源的輸出正負(fù)極按電流流動(dòng)方向接入對(duì)應(yīng)的線纜插頭，電流通過線纜和內(nèi)層接插件穿過電流環(huán)后經(jīng)下層鏡像電路板和外圍接插件實(shí)現(xiàn)對(duì)兩只電流環(huán)的等效螺旋繞制。所有內(nèi)層接插件上的電流流動(dòng)方向?yàn)樽陨隙?，上層電路板的電流流?dòng)方向?yàn)橛赏庀騼?nèi)，外層接插件上的電流流動(dòng)方向?yàn)樽韵露?，下層電路板的電流流?dòng)方向?yàn)橛蓛?nèi)向外。瞬態(tài)電流倍增器的工作原理框圖如圖2所示。

圖2 瞬態(tài)電流倍增器結(jié)構(gòu)示意圖

3 結(jié)構(gòu)及電路設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的瞬態(tài)電流倍增器以Pearson 4997型電流環(huán)（峰值電流測(cè)量范圍為0～20 kA，轉(zhuǎn)換系數(shù)為0.01 V/A，轉(zhuǎn)換系數(shù)的準(zhǔn)確度為±1%，內(nèi)孔直徑為53.34 mm，外徑為 101.6 mm）為應(yīng)用對(duì)象進(jìn)行設(shè)計(jì)。瞬態(tài)電流倍增器的尺寸以能夠完整包覆4997型電流環(huán)進(jìn)行設(shè)計(jì)，外徑為120 mm，內(nèi)孔直徑為30 mm，內(nèi)部插針包圍外徑為36 mm。為了提升電路板強(qiáng)度，避免頻繁扣合與分離過程中的受力不均引起電路板損傷，兩塊電路板采用加厚設(shè)計(jì)，厚度設(shè)計(jì)為2 mm?？紤]到內(nèi)部插針間以及線匝間的間隙放電等因素，本文設(shè)計(jì)的線間和孔間最小間距為4.9 mm，線寬為3 mm，上下電路板中設(shè)計(jì)的線徑設(shè)計(jì)為鏡像交疊形式，配合內(nèi)外接插件等效構(gòu)成線匝螺旋環(huán)繞方式，共設(shè)計(jì)了18匝環(huán)繞路徑。在接插件的選取部分，主要考慮印制電路板可焊接、外觀尺寸以及導(dǎo)電性能。由于應(yīng)用對(duì)象（Pearson 4997）的厚度為20 mm，為了按圖3方式套接2個(gè)電流環(huán)，接插件在連接后的長(zhǎng)度需大于40 mm，該類接插件通常需自行設(shè)計(jì)加工。為了盡快開展試驗(yàn)驗(yàn)證，本文初步考慮采用套接1只電流環(huán)的方式以減小對(duì)接插件的尺寸要求?？紤]到銅具有導(dǎo)電性能好、接觸電阻小、抗氧化能力強(qiáng)等特點(diǎn)，以及表面鍍銀工藝可使接插件的導(dǎo)電性能得到進(jìn)一步提升，本文最終選用的接插件采用大電流冠簧航空防水公母插針，直徑為3 mm，材質(zhì)為黃銅C3604，表面鍍銀，最大通過電流300 A，兩端可焊接在電路板上。另外，根據(jù)電流傳輸原理，電流主要在材料表面流動(dòng)，為了減少傳輸路徑上的損耗，本文在同一塊板子上的每條線徑進(jìn)行了鏡像處理，即頂層和底層都鋪設(shè)了線路并處于同一網(wǎng)絡(luò)，電流通路導(dǎo)體的截面積得到了增大。最終設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的瞬態(tài)電流倍增器如圖3所示。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證與分析

在試驗(yàn)驗(yàn)證部分，本文利用EMC測(cè)試系統(tǒng)中的浪涌產(chǎn)生器設(shè)備（UCS500）作為激勵(lì)源，利用Pearson 4997（最大峰值電流 20 kA）型電流環(huán)搭建了驗(yàn)證測(cè)試系統(tǒng)，在電流環(huán)的滿量程范圍對(duì)單匝線纜穿過電流環(huán)、多匝線圈螺旋繞制電流環(huán)、經(jīng)瞬態(tài)電流倍增器扣合電流電流環(huán)這3種情況下的電流進(jìn)行了測(cè)試，試驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)量框圖如圖4所示。

圖4 瞬態(tài)電流倍增器試驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)試框圖

在實(shí)際情況下，利用線纜多匝螺旋繞制進(jìn)行電流環(huán)校準(zhǔn)的過程，由于一般所選用線纜具有一定的柔韌性和彈性，且手工繞制具有不一致性，導(dǎo)致螺旋繞制后線匝形成的等效電感會(huì)發(fā)生變化，在電流環(huán)的滿量程測(cè)量范圍內(nèi)所獲取的感應(yīng)電流波形會(huì)發(fā)生畸變。因此，本文在試驗(yàn)驗(yàn)證過程中首先對(duì)瞬態(tài)電流倍增器的感應(yīng)電流在20 kA的范圍段內(nèi)進(jìn)行了測(cè)試，如圖5所示。結(jié)果表明，經(jīng)瞬態(tài)電流倍增器后的感應(yīng)電流波形在20 kA的范圍內(nèi)能夠始終保持輸入時(shí)的波形特征。

圖5 瞬態(tài)電流倍增器波形特征保持功能的驗(yàn)證測(cè)試結(jié)果

在瞬態(tài)電流倍增器的波形特征保持功能得到驗(yàn)證后，本文對(duì)其倍增系數(shù)進(jìn)行測(cè)試。為了保證試驗(yàn)結(jié)果具有可對(duì)比性，單匝線纜和多匝螺旋繞制所用電纜為同一根電纜，長(zhǎng)度和截面積與瞬態(tài)電流倍增器的傳輸路徑和截面積相同。激勵(lì)源設(shè)定電壓分別為 0.5，1，1.5，2，2.5，2.6 kV 時(shí)，電流峰值和脈沖寬度的測(cè)試結(jié)果如圖6和圖7所示。

圖6 不同設(shè)定電壓下輸出電流峰值測(cè)試結(jié)果

圖7 不同設(shè)定電壓下輸出電流脈寬測(cè)試結(jié)果

由圖6可看出，在相同的繞制圈數(shù)下，手工螺旋繞制與瞬態(tài)電流倍增器兩種工作方式下感應(yīng)電流峰值基本相當(dāng)。經(jīng)計(jì)算，相對(duì)單匝線圈，手工螺旋繞制后的倍增系數(shù)為17.07，瞬態(tài)電流倍增器的倍增系數(shù)為17.01。但是，由圖7可看出，手工螺旋繞制情況下電流脈寬變化較大，有較大波形失真，而經(jīng)瞬態(tài)電流倍增器后的感應(yīng)電流脈寬與初始輸入的電流脈寬基本相同。經(jīng)計(jì)算，經(jīng)瞬態(tài)電流倍增器后的感應(yīng)電流脈寬相對(duì)初始輸入的電流脈寬僅有不到1%的失真。

為了進(jìn)一步說明經(jīng)瞬態(tài)電流倍增器后獲取的感應(yīng)電流具有較好的重復(fù)性，本文對(duì)激勵(lì)源設(shè)定電壓分別為 0.5，1，1.5，2，2.5，2.6 kV 時(shí)的電流峰值和脈沖寬度的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了分析。結(jié)果顯示，激勵(lì)源的輸出信號(hào)經(jīng)本文所設(shè)計(jì)的瞬態(tài)電流倍增器后，感應(yīng)電流倍增效應(yīng)線性度和重復(fù)性較好，脈寬寬度在20 kA的倍增范圍重復(fù)性同樣較好，具體測(cè)量及統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如圖8和圖9所示。

圖8 瞬態(tài)電流倍增器輸出電流峰值重復(fù)性測(cè)試

圖9 瞬態(tài)電流倍增器輸出電流脈寬重復(fù)性測(cè)試

5 結(jié)束語

本文基于電流環(huán)滿量程校準(zhǔn)的需求以及感應(yīng)電流疊加的原理，對(duì)實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有瞬態(tài)大電流發(fā)生器（瑞士 EM TEST 生產(chǎn)的 UCS 500-M）輸出技術(shù)指標(biāo)、激勵(lì)源帶載能力、線匝間耐壓能力、電流環(huán)機(jī)械尺寸等方面的因素進(jìn)行了分析，利用電路板與接插件設(shè)計(jì)了參數(shù)固化、操作便捷的瞬態(tài)大電流倍增器，通過已溯源的示波器和電流環(huán)搭建了功能與指標(biāo)試驗(yàn)系統(tǒng)，驗(yàn)證了瞬態(tài)電流倍增器對(duì)輸入信號(hào)具有較好的波形保持功能，并對(duì)20 kA內(nèi)的感應(yīng)電流波形參數(shù)進(jìn)行了測(cè)量和重復(fù)性驗(yàn)證分析。驗(yàn)證了本文所設(shè)計(jì)的瞬態(tài)電流倍增器可用于實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖強(qiáng)流測(cè)試系統(tǒng)中電流環(huán)的滿量程校準(zhǔn)。

后續(xù)，本文將針對(duì)不同外形尺寸的被校對(duì)象進(jìn)行設(shè)計(jì)，形成系列化的校準(zhǔn)配件，并將進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)及傳輸路徑設(shè)計(jì)，通過調(diào)節(jié)初級(jí)激勵(lì)源的充電電壓對(duì)倍增電流進(jìn)行全范圍段內(nèi)的刻度標(biāo)定，并開展調(diào)節(jié)匝數(shù)比驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，以便進(jìn)一步優(yōu)化瞬態(tài)電流倍增器的倍增電流波形參數(shù)，以擴(kuò)展其應(yīng)用范圍。