一種用于電流環校準的瞬態電流倍增器設計

何 鵬，朱宇潔

(1. 電子科技大學自動化工程學院，四川 成都 611731; 2. 中國工程物理研究院計量測試中心，四川 綿陽 621900)

0 引 言

脈沖功率技術在最近的半個世紀里得到了迅速發展，國防科研的需求為脈沖功率發展提供了極大的推動力，在世界各地造就了一批各有特色的脈沖功率發生器或裝置，多數都服務于與高能量密度物理或高強度輻射源相關的科研或技術開發工作[1-3]。上述應用領域對脈沖大電流的測試有廣泛的需求，信號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甚至是上百千安量級，脈沖底寬為微秒量級。針對該類脈沖大電流信號的測量，通常采用非接觸式的電流環或電流探頭（B-dot探頭或電流線圈）與數字示波器共同組成脈沖強流測試系統。其中，數字示波器的校準技術已較為成熟，而電流環受限于校準裝置的信號輸出能力以及應用需求推動，相關校準技術研究多數面向工頻或小量程校準，對于應用于脈沖領域所需的瞬態大量程校準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，脈沖大電流信號的準確測量不僅可以有效衡量裝置性能，同時可為物理實驗設計和結果分析提供重要入口參數。通過開展脈沖強流參數測試系統所用電流環的滿量程校準技術研究，對于精密物理實驗設計和結果分析所需參數的獲取、脈沖功率裝置輸出參數測量判定以及技術性能和質量的評估具有重要作用。

現階段，針對電流環校準主要有分流器法、小信號校準后線性外推法[5-6]、工頻或沖擊波形條件下校準[7-8]。其中，分流器法需要將高準確度脈沖分流器介入到待校脈沖強流參數產生回路中，會在一定程度上影響輸出信號電氣特性，從而進一步影響校準結果置信度[9]。因此，校準電流環時仍需采用滿足量傳比需求的高準確度非接觸式方法。小信號校準線性外推法不足是被校電流環由于材料與工藝的批次一致性在一定程度上存在差別，且在大信號下電流環所處相對較復雜的電磁環境可能會對測量結果帶來影響。工頻或沖擊波形下校準方法激勵信號產生裝置的體積較大、帶載能力差、輸出瞬態電流較小，難以滿足滿量程校準需求[10]。隨著脈沖功率技術的發展以及物理分析的進步，對脈沖強流參數測量準確性的需求越來越強，對電流環進行滿量程校準是保證脈沖強流參數測量系統校準結果置信度的重要保證。

本文以脈沖電流測量系統中電流環的滿量程校準需求為設計目標，基于感應電流倍增的原理設計了一種基于PCB的瞬態電流倍增器，對其電氣參數進行了計算和仿真分析，對欠阻尼脈沖電流輸入信號情況下的感應電流倍增情況進行了試驗，驗證了所設計的瞬態電流倍增器的功能和指標，可用于實現對脈沖電流測試系統中的電流環進行滿量程校準。

1 校準現狀分析

目前，針對電流環的滿量程校準方法主要是利用標準表法。該方法利用激勵源輸出校準所需的脈沖大電流信號，將被檢電流環和標準電流環同時套接在信號傳輸路徑上進行測量，用標準電流環所測結果作為標準值對被檢電流環進行量傳。利用標準表法開展電流環滿量程校準主要有兩種形式，一種是利用沖擊高壓裝置產生脈沖大電流信號作為激勵源。但沖擊高壓裝置的帶載能力不足，校準所需的瞬態電流幅度越大，對裝置的工作電壓以及絕緣要求越高，激勵源的設計實現較大且操作便捷性較差。另一種是利用電流輸出線纜將標準電流環和待溯源電流環進行螺旋纏繞。由于該種繞制方式下電流環內孔通過的電流方向始終保持一致，電流環測得電流即可得到增加。該方法成本較低，實現途徑相對簡單，因此是目前部分實驗室所采用的實際校準方法。但是，在實際應用中該方法輸出線纜螺旋纏繞部分可等效為電感，對激勵源的波形特征有較大影響。另外，手工進行線匝螺旋繞制時，難以保證線匝間相對位置，線匝間重疊區域在匝數較多時易發生擊穿打火現象，需反復調整甚至是重新繞制，從而影響校準過程的效率，如圖1所示。因此，高效便捷地實現對電流環螺旋繞制后的感應電流無失真放大是本文研究的目的所在。

圖1 線匝螺旋繞制對比示意圖

2 瞬態電流倍增器組成及工作原理

基于參數固化、效率提升的考慮，本文所設計的瞬態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，設計時充分考慮了線纜繞制過程中的感應電流波形畸變、擊穿打火以及工作效率低下等問題。所設計的瞬態電流倍增器工作模式為套接方式，即在被檢電流環和標準電流環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的較多準備時間。工作時，將電流激勵源的輸出正負極按電流流動方向接入對應的線纜插頭，電流通過線纜和內層接插件穿過電流環后經下層鏡像電路板和外圍接插件實現對兩只電流環的等效螺旋繞制。所有內層接插件上的電流流動方向為自上而下，上層電路板的電流流動方向為由外向內，外層接插件上的電流流動方向為自下而上，下層電路板的電流流動方向為由內向外。瞬態電流倍增器的工作原理框圖如圖2所示。

圖2 瞬態電流倍增器結構示意圖

3 結構及電路設計

本文設計的瞬態電流倍增器以Pearson 4997型電流環（峰值電流測量范圍為0～20 kA，轉換系數為0.01 V/A，轉換系數的準確度為±1%，內孔直徑為53.34 mm，外徑為 101.6 mm）為應用對象進行設計。瞬態電流倍增器的尺寸以能夠完整包覆4997型電流環進行設計，外徑為120 mm，內孔直徑為30 mm，內部插針包圍外徑為36 mm。為了提升電路板強度，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計，厚度設計為2 mm。考慮到內部插針間以及線匝間的間隙放電等因素，本文設計的線間和孔間最小間距為4.9 mm，線寬為3 mm，上下電路板中設計的線徑設計為鏡像交疊形式，配合內外接插件等效構成線匝螺旋環繞方式，共設計了18匝環繞路徑。在接插件的選取部分，主要考慮印制電路板可焊接、外觀尺寸以及導電性能。由于應用對象（Pearson 4997）的厚度為20 mm，為了按圖3方式套接2個電流環，接插件在連接后的長度需大于40 mm，該類接插件通常需自行設計加工。為了盡快開展試驗驗證，本文初步考慮采用套接1只電流環的方式以減小對接插件的尺寸要求。考慮到銅具有導電性能好、接觸電阻小、抗氧化能力強等特點，以及表面鍍銀工藝可使接插件的導電性能得到進一步提升，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，根據電流傳輸原理，電流主要在材料表面流動，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行了鏡像處理，即頂層和底層都鋪設了線路并處于同一網絡，電流通路導體的截面積得到了增大。最終設計實現的瞬態電流倍增器如圖3所示。

4 試驗驗證與分析

在試驗驗證部分，本文利用EMC測試系統中的浪涌產生器設備（UCS500）作為激勵源，利用Pearson 4997（最大峰值電流 20 kA）型電流環搭建了驗證測試系統，在電流環的滿量程范圍對單匝線纜穿過電流環、多匝線圈螺旋繞制電流環、經瞬態電流倍增器扣合電流電流環這3種情況下的電流進行了測試，試驗系統測量框圖如圖4所示。

圖4 瞬態電流倍增器試驗系統測試框圖

在實際情況下，利用線纜多匝螺旋繞制進行電流環校準的過程，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，導致螺旋繞制后線匝形成的等效電感會發生變化，在電流環的滿量程測量范圍內所獲取的感應電流波形會發生畸變。因此，本文在試驗驗證過程中首先對瞬態電流倍增器的感應電流在20 kA的范圍段內進行了測試，如圖5所示。結果表明，經瞬態電流倍增器后的感應電流波形在20 kA的范圍內能夠始終保持輸入時的波形特征。

圖5 瞬態電流倍增器波形特征保持功能的驗證測試結果

在瞬態電流倍增器的波形特征保持功能得到驗證后，本文對其倍增系數進行測試。為了保證試驗結果具有可對比性，單匝線纜和多匝螺旋繞制所用電纜為同一根電纜，長度和截面積與瞬態電流倍增器的傳輸路徑和截面積相同。激勵源設定電壓分別為 0.5，1，1.5，2，2.5，2.6 kV 時，電流峰值和脈沖寬度的測試結果如圖6和圖7所示。

圖6 不同設定電壓下輸出電流峰值測試結果

圖7 不同設定電壓下輸出電流脈寬測試結果

由圖6可看出，在相同的繞制圈數下，手工螺旋繞制與瞬態電流倍增器兩種工作方式下感應電流峰值基本相當。經計算，相對單匝線圈，手工螺旋繞制后的倍增系數為17.07，瞬態電流倍增器的倍增系數為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，而經瞬態電流倍增器后的感應電流脈寬與初始輸入的電流脈寬基本相同。經計算，經瞬態電流倍增器后的感應電流脈寬相對初始輸入的電流脈寬僅有不到1%的失真。

為了進一步說明經瞬態電流倍增器后獲取的感應電流具有較好的重復性，本文對激勵源設定電壓分別為 0.5，1，1.5，2，2.5，2.6 kV 時的電流峰值和脈沖寬度的測量結果進行了分析。結果顯示，激勵源的輸出信號經本文所設計的瞬態電流倍增器后，感應電流倍增效應線性度和重復性較好，脈寬寬度在20 kA的倍增范圍重復性同樣較好，具體測量及統計分析結果如圖8和圖9所示。

圖8 瞬態電流倍增器輸出電流峰值重復性測試

圖9 瞬態電流倍增器輸出電流脈寬重復性測試

5 結束語

本文基于電流環滿量程校準的需求以及感應電流疊加的原理，對實驗室現有瞬態大電流發生器（瑞士 EM TEST 生產的 UCS 500-M）輸出技術指標、激勵源帶載能力、線匝間耐壓能力、電流環機械尺寸等方面的因素進行了分析，利用電路板與接插件設計了參數固化、操作便捷的瞬態大電流倍增器，通過已溯源的示波器和電流環搭建了功能與指標試驗系統，驗證了瞬態電流倍增器對輸入信號具有較好的波形保持功能，并對20 kA內的感應電流波形參數進行了測量和重復性驗證分析。驗證了本文所設計的瞬態電流倍增器可用于實現對脈沖強流測試系統中電流環的滿量程校準。

后續，本文將針對不同外形尺寸的被校對象進行設計，形成系列化的校準配件，并將進一步優化結構及傳輸路徑設計，通過調節初級激勵源的充電電壓對倍增電流進行全范圍段內的刻度標定，并開展調節匝數比驗證實驗，以便進一步優化瞬態電流倍增器的倍增電流波形參數，以擴展其應用范圍。