1 000 A交直流線性標(biāo)準(zhǔn)電源

/ 上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院

0 引言

隨著科學(xué)技術(shù)和生產(chǎn)發(fā)展的需要，大電流和大功率標(biāo)準(zhǔn)電源的需求越來(lái)越大。電流量值作為電能源的一個(gè)重要參數(shù)、電學(xué)計(jì)量的基本量，廣泛應(yīng)用于電鍍、電冶、電機(jī)制造及檢修、電池及電氣機(jī)車、航天等領(lǐng)域。交直流電流量值從幾安、幾十安至幾百安、幾千安甚至上萬(wàn)安培[1]。對(duì)這些交直流電流值的準(zhǔn)確計(jì)量，直接關(guān)系到系統(tǒng)運(yùn)行效果，關(guān)系到產(chǎn)品質(zhì)量，甚至關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)工程的成敗。 因此，對(duì)這些儀表的計(jì)量性能進(jìn)行量值傳遞、溯源是非常重要和必要的。我國(guó)已生產(chǎn)出10 000 A直流標(biāo)準(zhǔn)直流源，準(zhǔn)確度可達(dá)0.02%～0.005%。以往大電流源（200 A以上）基本使用開關(guān)電源方式[2]，雖然能滿足一般測(cè)試需求，但其峰-峰值高達(dá)幾伏（幅值不變的）脈沖紋波（和輸出電流大小無(wú)關(guān)）。為此有必要研制一種交直流線性大電流源。

1 指標(biāo)要求

本文設(shè)計(jì)的大電流、大功率標(biāo)準(zhǔn)線性電源主要用于各種標(biāo)準(zhǔn)電流設(shè)備的校驗(yàn)，如：電流傳感器、特種電流互感器、分流器、普通電流表、鉗形電流表、模擬電阻器、大電流實(shí)物電阻器等，根據(jù)實(shí)際需要和設(shè)計(jì)達(dá)到的技術(shù)水平擬定以下技術(shù)指標(biāo)，如表1所示。

2 整機(jī)技術(shù)方案

計(jì)量測(cè)試用的線性電流源是指電流中沒有突變量和脈沖疊加的電源。直流電流源要求有較小的紋波系數(shù)和較高的穩(wěn)定性，交流電流源要求有較小的失真度和較高的穩(wěn)定性。

以往由于要求不高，直流大電流源往往采用市電直接整流的方式，大電流源往往輸出電壓較低，因此上述方式制造的大電流源紋波很大（甚至達(dá)5%以上）、穩(wěn)定性差（約0.2%）。為了解決上述問(wèn)題需要用一個(gè)頻率較高（1 kHz以上）的、可調(diào)節(jié)的、穩(wěn)定性好和無(wú)工頻調(diào)制的交流源整流濾波來(lái)實(shí)現(xiàn)。

表1 交直流指標(biāo)要求

綜上所述，制造交直流線性大電流源的核心部件之一是一個(gè)大功率放大器，要求幅值可（智能）調(diào)節(jié)，有較高共模抑制比。直流電流源有高效的整流濾波部分，其準(zhǔn)確度取決于采用何種電流傳感器，在這里采用恒溫控制的標(biāo)準(zhǔn)電阻器（準(zhǔn)確度可達(dá)0.01%以上）及電流比較儀式傳感器（準(zhǔn)確度可達(dá)0.005%）。交直流電流源的短時(shí)穩(wěn)定性依賴于模擬閉環(huán)系統(tǒng)，較長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性則依靠單片機(jī)自動(dòng)跟蹤的數(shù)字閉環(huán)系統(tǒng)。原理框圖如圖1所示。

圖1 整機(jī)原理框圖

3 電路設(shè)計(jì)與特點(diǎn)

3.1 隔離變壓器

匹配一個(gè)高功率的隔離變壓器，如圖2所示。

圖2 隔離變壓器

3.2 功率放大器

高可靠大功率放大器能夠承受短路、開路、過(guò)載各種沖擊（故障率僅為0.1%），傳統(tǒng)教科書中規(guī)定（設(shè)計(jì)要求）功率管的安全使用電流為其最大允許電流的1/3[3]。

根據(jù)計(jì)算和實(shí)際測(cè)試，匹配2 kW功率放大器的最大工作電流約為80 A，為了提高可靠性，采用8只功率模塊（每只功率模塊的最大電流均在200 A以上，耐壓在500 V以上）。 整個(gè)功放有很好的共模抑制比，能夠有效確保50 Hz（100 Hz）不對(duì)電流輸出產(chǎn)生調(diào)制作用。

3.3 直流降壓升流

由于變壓器的線圈有固有電感，采用較高頻率固然對(duì)后面濾波有利，但功放的輸出效率會(huì)因此降低，在線性電源中選用1 kHz的頻率。

3.4 直流整流設(shè)計(jì)

對(duì)于交流電壓只有1.5 V的輸出，要求整流濾波后最終能有0.5 V/1 200 A輸出。肖特基整流管的壓降是0.4 ～0.7 V，采用全波整流（非橋式整流）方式，選用電流大、壓降低的肖特基模塊（300 A/30 V），只允許整流管上損失0.5 V以下，濾波電感線圈兩只損失0.15 V。取樣直流電阻上損失0.1 V，整個(gè)引線上的降壓約為0.2 V。1.5 V交流整流后的直流電壓理論上為1.35 V。因此，連接導(dǎo)線和變壓器線圈導(dǎo)線的電流密度選用2.5 A/mm2。減小取樣電阻的阻值會(huì)降低損耗，但同時(shí)會(huì)帶來(lái)噪聲增加和準(zhǔn)確度降低。選用300 A/30 V的整流管，使其只工作在50 A左右，此時(shí)兩端壓降低至0.4 V。共采用了20只 300 A/30 V的肖特基模塊。

3.5 直流濾波設(shè)計(jì)

采用五路雙π形濾波網(wǎng)絡(luò)，如圖3所示。單級(jí)交流衰減比為1∶40，雙級(jí)為1∶1 600，這樣保證最終電流紋波系數(shù)小于0.1%（約0.05%）。對(duì)于這種濾波電路，如果把頻率降低20倍（即工頻），交流衰減比則為1∶1.25，這時(shí)對(duì)工頻紋波的濾除幾乎不起作用。

圖3 雙π型濾波網(wǎng)絡(luò)

3.6 直流電流取樣

用電阻（分流器）用作直流電流取樣是最經(jīng)典，也是最可靠的辦法，只要解決電阻的熱穩(wěn)定性問(wèn)題，提高電阻的準(zhǔn)確度就可以滿足大多數(shù)的測(cè)試需求。國(guó)內(nèi)已能生產(chǎn)準(zhǔn)確度、穩(wěn)定性達(dá)0.01%以上的大電流電阻器。本文采用的控溫型標(biāo)準(zhǔn)電阻器為80 μΩ和800 μΩ。在1 200 A的電流下壓降是96 mV，800 μΩ為100 A以下電流設(shè)置，此電阻器在環(huán)境溫度10～35 ℃的情況下，仍然能保證0.01%的準(zhǔn)確度。該電阻器的工作原理是：內(nèi)部有預(yù)加熱裝置，先將電阻器加熱到32 ℃。當(dāng)內(nèi)部傳感器檢測(cè)到溫度超過(guò)32 ℃時(shí)，風(fēng)機(jī)啟動(dòng)，對(duì)電阻散熱器降溫。控制結(jié)果讓電阻器始終處于32～38℃之間，在此溫度范圍內(nèi)，電阻器阻值變化小于0.005%。采用比較儀式電流表，可以降低損耗并具有更好的準(zhǔn)確度，其電流的范圍可以方便轉(zhuǎn)換。本文設(shè)計(jì)的電流源設(shè)有外接標(biāo)準(zhǔn)的輸入插孔，方便外接比較儀式電流表。

3.7 交流降壓升流

如圖4所示為交流輸出模塊，功放工作在交流輸出狀態(tài)時(shí)工作狀態(tài)很正常，但有一個(gè)因素對(duì)它構(gòu)成不利威脅，當(dāng)外接負(fù)載接近短路時(shí)，功放管將承受很大的功耗，對(duì)散熱提出較高要求。

圖4 交流輸出模塊

3.8 交流取樣

交流采用穿芯式組合互感器，如圖5所示。

圖5 互感器

采用上述組合互感器結(jié)構(gòu)，不僅大大降低了取樣電阻的功耗，而且對(duì)改善1 kHz誤差有顯著作用。總體保證（在外接8508多功能表的情況下）能達(dá)到0.02%以上的準(zhǔn)確度。

3.9 主控制器

主控制器是電源的大腦，它的任務(wù)是：

（1）改變輸出頻率，50 Hz、60 Hz、400 Hz、1 kHz。

（2）閉環(huán)監(jiān)控、跟蹤輸出電流的大小，保證電流輸出的穩(wěn)定和準(zhǔn)確。

（3）顯示：實(shí)時(shí)顯示輸出電流的大小。

（4）安全保護(hù)：空載、過(guò)載、過(guò)熱時(shí)自動(dòng)斷開信號(hào)源，讓功放輸出為零。

主控制器中采用技術(shù)比較先進(jìn)的數(shù)字閉環(huán)技術(shù)和模擬閉環(huán)配合，保證輸出的穩(wěn)定、可靠、準(zhǔn)確。

3.10 散熱問(wèn)題

本電源中的肖特基整流管要求耗散大于500 W功率，功放管的發(fā)熱量最高達(dá)1 400 W以上，設(shè)計(jì)采用風(fēng)冷方法，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)和理論計(jì)算把散熱器的最高溫度控制在75 ℃以下。除了采用強(qiáng)風(fēng)、低噪的優(yōu)質(zhì)風(fēng)機(jī)外，另外對(duì)風(fēng)機(jī)加了控制電路，讓風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速隨散熱器溫度的升高而提高。在輸出中、小電流或大電流工作時(shí)間不長(zhǎng)時(shí)，風(fēng)機(jī)噪聲可以忽略。

4 標(biāo)準(zhǔn)電源的校準(zhǔn)

4.1 直流電流準(zhǔn)確度校驗(yàn)

目前最佳的辦法是采用比較儀式電流測(cè)量?jī)x。它的電流量程范圍寬，便于較大范圍測(cè)量電流源的準(zhǔn)確度[4]。采用大功率控溫型標(biāo)準(zhǔn)電阻器也能校驗(yàn)，但準(zhǔn)確度要差一些，而且量程單一（否則需要多個(gè)獨(dú)立的電阻器）。

對(duì)于直流紋波測(cè)試往往采用一只無(wú)感電阻，測(cè)量是其兩端的交流電壓和直流電壓之比。對(duì)于超大電流，不能用普通分流器取樣。因?yàn)檫@時(shí)取樣直流電壓都比較小，交流電壓和噪聲電壓已分不清。對(duì)于直流開關(guān)電源，此法更行不通。因?yàn)殚_關(guān)電源的交流頻率都在20 kHz以上（根本沒有這樣的大電流無(wú)感電阻）。 大電流紋波測(cè)量可以采用兩個(gè)辦法：一是用羅氏線圈直接測(cè)出交流電流分量；另一個(gè)是如圖6所示采用不易飽和的穿芯互感器，二次側(cè)配用合適的取樣電阻，測(cè)量這個(gè)電阻兩端的交流電壓。也可以直接用示波器分析測(cè)量?jī)啥说牟ㄐ巍Ｆ溆行е?100 mV/A（交流電壓毫伏數(shù)/100）/（直流電流安培 數(shù)）即為紋波系數(shù)。

圖6 直流紋波測(cè)試

4.2 交流電流準(zhǔn)確度校驗(yàn)

交流電流的校準(zhǔn)方法有四種，比較測(cè)量法、標(biāo)準(zhǔn)表法、替代法、電流電壓轉(zhuǎn)換法，這四種方法具有同等效力可根據(jù)設(shè)備具體情況選用[5]。目前選用電流電壓轉(zhuǎn)換法較為普遍，因交流電壓表的準(zhǔn)確度可達(dá)0.01%，配以合適的電流/電壓轉(zhuǎn)換器，可以用測(cè)量電壓的方法來(lái)測(cè)量電流。

在測(cè)量交流失真度時(shí)（如圖7所示），在電阻上取樣（電壓）測(cè)量失真度。對(duì)于工頻（50～60 Hz）互感器本身，其準(zhǔn)確度可達(dá)百萬(wàn)分級(jí)（指變比誤差），但用它無(wú)法直接測(cè)量電流，必須在二次側(cè)取樣電流或電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。往往用接入標(biāo)準(zhǔn)無(wú)感電阻的方法，測(cè)量電阻兩端電壓。電阻本身的誤差（包含交流特性）和熱穩(wěn)定性，決定總體電流測(cè)量誤差。

對(duì)于400 Hz、1 kHz的被測(cè)電流，現(xiàn)有的工頻互感器就不適用，高精度工頻互感器雖然變比誤差小，角差也很小，但都局限于工頻范圍。隨著頻率的提高，其鐵芯的性質(zhì)，線圈的分布參數(shù)都直接影響最終的誤差。

圖7 交流失真度

5 結(jié)語(yǔ)

按以上方法制作出的交直流電流校準(zhǔn)源，其穩(wěn)定性及準(zhǔn)確度指標(biāo)完全達(dá)到設(shè)計(jì)要求，實(shí)測(cè)直流穩(wěn)定度≤0.005%/min、交流穩(wěn)定度≤0.01%/min；經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用，工作可靠，性能良好，量值穩(wěn)定。可以作為測(cè)試儀生產(chǎn)廠家在制造過(guò)程中調(diào)試、出廠檢驗(yàn)的校準(zhǔn)儀器。本校準(zhǔn)裝置采用模塊化設(shè)計(jì)，各個(gè)組件相互獨(dú)立，方便拆卸，可根據(jù)不同的需要應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)。