/ 上海市计量测试技术研究院

0 引言

随着科学技术和生产发展的需要，大电流和大功率标准电源的需求越来越大。电流量值作为电能源的一个重要参数、电学计量的基本量，广泛应用于电镀、电冶、电机制造及检修、电池及电气机车、航天等领域。交直流电流量值从几安、几十安至几百安、几千安甚至上万安培[1]。对这些交直流电流值的准确计量，直接关系到系统运行效果，关系到产品质量，甚至关系到整个系统工程的成败。 因此，对这些仪表的计量性能进行量值传递、溯源是非常重要和必要的。我国已生产出10 000 A直流标准直流源，准确度可达0.02%～0.005%。以往大电流源（200 A以上）基本使用开关电源方式[2]，虽然能满足一般测试需求，但其峰-峰值高达几伏（幅值不变的）脉冲纹波（和输出电流大小无关）。为此有必要研制一种交直流线性大电流源。

1 指标要求

本文设计的大电流、大功率标准线性电源主要用于各种标准电流设备的校验，如：电流传感器、特种电流互感器、分流器、普通电流表、钳形电流表、模拟电阻器、大电流实物电阻器等，根据实际需要和设计达到的技术水平拟定以下技术指标，如表1所示。

2 整机技术方案

计量测试用的线性电流源是指电流中没有突变量和脉冲叠加的电源。直流电流源要求有较小的纹波系数和较高的稳定性，交流电流源要求有较小的失真度和较高的稳定性。

以往由于要求不高，直流大电流源往往采用市电直接整流的方式，大电流源往往输出电压较低，因此上述方式制造的大电流源纹波很大（甚至达5%以上）、稳定性差（约0.2%）。为了解决上述问题需要用一个频率较高（1 kHz以上）的、可调节的、稳定性好和无工频调制的交流源整流滤波来实现。

表1 交直流指标要求

综上所述，制造交直流线性大电流源的核心部件之一是一个大功率放大器，要求幅值可（智能）调节，有较高共模抑制比。直流电流源有高效的整流滤波部分，其准确度取决于采用何种电流传感器，在这里采用恒温控制的标准电阻器（准确度可达0.01%以上）及电流比较仪式传感器（准确度可达0.005%）。交直流电流源的短时稳定性依赖于模拟闭环系统，较长时间稳定性则依靠单片机自动跟踪的数字闭环系统。原理框图如图1所示。

图1 整机原理框图

3 电路设计与特点

3.1 隔离变压器

匹配一个高功率的隔离变压器，如图2所示。

图2 隔离变压器

3.2 功率放大器

高可靠大功率放大器能够承受短路、开路、过载各种冲击（故障率仅为0.1%），传统教科书中规定（设计要求）功率管的安全使用电流为其最大允许电流的1/3[3]。

根据计算和实际测试，匹配2 kW功率放大器的最大工作电流约为80 A，为了提高可靠性，采用8只功率模块（每只功率模块的最大电流均在200 A以上，耐压在500 V以上）。 整个功放有很好的共模抑制比，能够有效确保50 Hz（100 Hz）不对电流输出产生调制作用。

3.3 直流降压升流

由于变压器的线圈有固有电感，采用较高频率固然对后面滤波有利，但功放的输出效率会因此降低，在线性电源中选用1 kHz的频率。

3.4 直流整流设计

对于交流电压只有1.5 V的输出，要求整流滤波后最终能有0.5 V/1 200 A输出。肖特基整流管的压降是0.4 ～0.7 V，采用全波整流（非桥式整流）方式，选用电流大、压降低的肖特基模块（300 A/30 V），只允许整流管上损失0.5 V以下，滤波电感线圈两只损失0.15 V。取样直流电阻上损失0.1 V，整个引线上的降压约为0.2 V。1.5 V交流整流后的直流电压理论上为1.35 V。因此，连接导线和变压器线圈导线的电流密度选用2.5 A/mm2。减小取样电阻的阻值会降低损耗，但同时会带来噪声增加和准确度降低。选用300 A/30 V的整流管，使其只工作在50 A左右，此时两端压降低至0.4 V。共采用了20只 300 A/30 V的肖特基模块。

3.5 直流滤波设计

采用五路双π形滤波网络，如图3所示。单级交流衰减比为1∶40，双级为1∶1 600，这样保证最终电流纹波系数小于0.1%（约0.05%）。对于这种滤波电路，如果把频率降低20倍（即工频），交流衰减比则为1∶1.25，这时对工频纹波的滤除几乎不起作用。

图3 双π型滤波网络

3.6 直流电流取样

用电阻（分流器）用作直流电流取样是最经典，也是最可靠的办法，只要解决电阻的热稳定性问题，提高电阻的准确度就可以满足大多数的测试需求。国内已能生产准确度、稳定性达0.01%以上的大电流电阻器。本文采用的控温型标准电阻器为80 μΩ和800 μΩ。在1 200 A的电流下压降是96 mV，800 μΩ为100 A以下电流设置，此电阻器在环境温度10～35 ℃的情况下，仍然能保证0.01%的准确度。该电阻器的工作原理是：内部有预加热装置，先将电阻器加热到32 ℃。当内部传感器检测到温度超过32 ℃时，风机启动，对电阻散热器降温。控制结果让电阻器始终处于32～38℃之间，在此温度范围内，电阻器阻值变化小于0.005%。采用比较仪式电流表，可以降低损耗并具有更好的准确度，其电流的范围可以方便转换。本文设计的电流源设有外接标准的输入插孔，方便外接比较仪式电流表。

3.7 交流降压升流

如图4所示为交流输出模块，功放工作在交流输出状态时工作状态很正常，但有一个因素对它构成不利威胁，当外接负载接近短路时，功放管将承受很大的功耗，对散热提出较高要求。

图4 交流输出模块

3.8 交流取样

交流采用穿芯式组合互感器，如图5所示。

图5 互感器

采用上述组合互感器结构，不仅大大降低了取样电阻的功耗，而且对改善1 kHz误差有显著作用。总体保证（在外接8508多功能表的情况下）能达到0.02%以上的准确度。

3.9 主控制器

主控制器是电源的大脑，它的任务是：

（1）改变输出频率，50 Hz、60 Hz、400 Hz、1 kHz。

（2）闭环监控、跟踪输出电流的大小，保证电流输出的稳定和准确。

（3）显示：实时显示输出电流的大小。

（4）安全保护：空载、过载、过热时自动断开信号源，让功放输出为零。

主控制器中采用技术比较先进的数字闭环技术和模拟闭环配合，保证输出的稳定、可靠、准确。

3.10 散热问题

本电源中的肖特基整流管要求耗散大于500 W功率，功放管的发热量最高达1 400 W以上，设计采用风冷方法，根据经验和理论计算把散热器的最高温度控制在75 ℃以下。除了采用强风、低噪的优质风机外，另外对风机加了控制电路，让风机的转速随散热器温度的升高而提高。在输出中、小电流或大电流工作时间不长时，风机噪声可以忽略。

4 标准电源的校准

4.1 直流电流准确度校验

目前最佳的办法是采用比较仪式电流测量仪。它的电流量程范围宽，便于较大范围测量电流源的准确度[4]。采用大功率控温型标准电阻器也能校验，但准确度要差一些，而且量程单一（否则需要多个独立的电阻器）。

对于直流纹波测试往往采用一只无感电阻，测量是其两端的交流电压和直流电压之比。对于超大电流，不能用普通分流器取样。因为这时取样直流电压都比较小，交流电压和噪声电压已分不清。对于直流开关电源，此法更行不通。因为开关电源的交流频率都在20 kHz以上（根本没有这样的大电流无感电阻）。 大电流纹波测量可以采用两个办法：一是用罗氏线圈直接测出交流电流分量；另一个是如图6所示采用不易饱和的穿芯互感器，二次侧配用合适的取样电阻，测量这个电阻两端的交流电压。也可以直接用示波器分析测量两端的波形。其有效值 100 mV/A（交流电压毫伏数/100）/（直流电流安培 数）即为纹波系数。

图6 直流纹波测试

4.2 交流电流准确度校验

交流电流的校准方法有四种，比较测量法、标准表法、替代法、电流电压转换法，这四种方法具有同等效力可根据设备具体情况选用[5]。目前选用电流电压转换法较为普遍，因交流电压表的准确度可达0.01%，配以合适的电流/电压转换器，可以用测量电压的方法来测量电流。

在测量交流失真度时（如图7所示），在电阻上取样（电压）测量失真度。对于工频（50～60 Hz）互感器本身，其准确度可达百万分级（指变比误差），但用它无法直接测量电流，必须在二次侧取样电流或电压来实现。往往用接入标准无感电阻的方法，测量电阻两端电压。电阻本身的误差（包含交流特性）和热稳定性，决定总体电流测量误差。

对于400 Hz、1 kHz的被测电流，现有的工频互感器就不适用，高精度工频互感器虽然变比误差小，角差也很小，但都局限于工频范围。随着频率的提高，其铁芯的性质，线圈的分布参数都直接影响最终的误差。

图7 交流失真度

5 结语

按以上方法制作出的交直流电流校准源，其稳定性及准确度指标完全达到设计要求，实测直流稳定度≤0.005%/min、交流稳定度≤0.01%/min；经过长期使用，工作可靠，性能良好，量值稳定。可以作为测试仪生产厂家在制造过程中调试、出厂检验的校准仪器。本校准装置采用模块化设计，各个组件相互独立，方便拆卸，可根据不同的需要应用于实验室校准。