张长胜，张萌萌，朱自科，曹 敏，李 川

(1.昆明理工大学 信息工程与自动化学院,云南 昆明 650500；2.云南省计量测试技术研究院，云南 昆明 650228；3.云南电网有限责任公司 电力科学研究院，云南 昆明 650217；4.中国南方电网公司 电能计量重点实验室，云南 昆明 650217)

直流超高压输电以其输电线路造价低、功耗低以及可实现非同步交流电力系统之间的联网等优点被广泛应用[1-3]。而在大电流直流仪表的检测中，高稳定直流恒流源是必不可少的设备[4-5]。其精度和稳定性直接影响被试直流互感器的校验精度，图1为直流电流互感器校验系统原理图。目前国内外研制的满足稳定度0.005%/min的直流源基本上还局限于20 A以下；而在国内尚未发现大电流(400 A)高稳定直流电流源相类似产品，国外有相关的技术研究，但产品售价昂贵，且核心技术保密。

吴宁胜和陈广赞等基于单片机研制了输出电流为20～2 000 mA、纹波电流≤0.2 mA的直流恒流源[6-7]。黄天辰等基于单片机开发了高精度数控直流恒流源，输出电流为10～2 047 mA、纹波电流≤0.2 mA[8]。吴光宇研究了一种基于ARM的程控直流恒流源，输出电流为200～2 000 mA，纹波电流≤2 mA[9]。孙雪梅研发了一种用于线路检测的大功率数字化恒流源，输出电流为0～300 A、恒流精度≤1%[10]。王海鹏等基于电流型PWM 芯片UC3845设计了反激开关电源，设计输入电压为10～14 V(DC)，纹波电压50 mV[11]。以上研究结果均未达到高稳定、大电流输出要求。

图1 直流电流互感器校验系统

本文采用磁平衡技术设计400 A恒流源，以提高其稳定性。其设计指标为：输入电压220 V(AC) 50 Hz，输出电流0～400 A(DC)连续可调，可提供100 A、400 A两种电流档位，输出电压：0～1.5 V(DC)自适应，最大输出功率600 W，稳定度达到0.01%/3min。

1 400 A直流稳流电源原理

针对设计400 A直流恒流源高可靠性、高稳定度、大电流、大功率的要求[12-14]，将磁调制比较仪作为直流反馈，采用多组功率三极管管组并联的方法，实现大直流恒流输出，系统原理如图1中虚框所示。其主要性能和评定指标如下：绝对误差为

ΔIL-ID

(1)

相对误差为

(2)

其中，ID为设定电流值，IL为恒流源输出电流值。电流稳定度为

(3)

其中，Imim和Imax为输出电流极值。恒流输出特性的优劣主要由纹波电流的大小决定

(4)

其中，Irc为纹波电流，Urc为采样电阻Rs两端纹波电压。

2 400 A直流稳流电源设计

整体电路设计如图2所示，主要电路由前置放大、功率放大、比较仪采样反馈以及电源等组成。

图2 直流源整体电路图

2.1 前置放大电路

前置放大电路的优异直接影响功率放大电路性能，通过负反馈原理，将需要控制的基准电压通过多个运放IC放大，从而驱动功率放大电路，图3为前置放大电路及实际装置图。Vs由高性能的可调直流基准电压源提供，Vi为采样电压。IC8为电压跟随器，IC9～IC12为反向比例放大器。

图3 前置放大电路及实际装置

2.2 功率放大电路

如图4所示，采用一个驱动电路驱动4组功放管，在驱动电路与每个功率管组之间串入Rb，在每只功率管发射级至输出之间串入Re，以此形成电流串联负反馈，各个功率管组电流相差在10%以内，达到平衡各个输出功率管组电流的目的，确保了输出稳定度和纹波要求。

图4 功率管组

直流恒流源采用射级跟随器进行功率放大输出，如图5中，Q1、Q2、Q3组成的放大电路使电流反向放大，其输出作为功率三极管Q的基极电流。二极管D1动态电阻很小，起保护作用。功率三极管Q发射极驱动并联的4组三极管组中，每组均由24个达林顿三极管并联而成，每个达林顿管发射极均通过0.3 Ω的线绕电阻与输出端连接，此级将输出电流放大至最大400 A。

图5 功率放大电路及实际装置

本设计对功率三极管的直流电流增益要求较高，为实现恒流源的大电流、大功率输出，功率三极管需要较大的基极驱动电流，故选用NPN型大功率达林顿管MJ11032作为恒流源系统的电流放大器件[15]。

理想状态下，恒流源输出电流大小为

(5)

其中，i=1,2,3,…,m(m为整数)，βi为达林顿管的直流电流增益，ICi、IBi分别为集电极、发射极电流。

在功放单元，有多个功率管，需要安装在4组电路板上，通过并联连接，有利于电流平衡以及散热均衡。由于功率晶体管是功耗较大的半导体器件，其表面积较小，不足以进行有效的散热。因此，通过安装通风散热风扇对功放单元进行散热，用散热片扩展功率晶体管的散热面积。

2.3 直流反馈采样电路

传统设计一般采用分流器实现直流采样，存在采样电压信号低(电流越大，能采样到的电压信号越低)、信噪比低﹑稳定(温度)漂移高，严重制约恒流源稳定性提高。本文采用直流比较仪来实现电流变换采样，提供精确的比例变化，采样出较高的电压反馈信号(6 V)，提高了恒流源稳定性。

图6 直流恒流电流源反馈单元

磁调制式直流比较仪作为反馈采样环节，采用对称双铁芯、四绕组结构和“零磁通”闭环控制，将0～400 A各档输出电流变换成归一化的小电流0.2 A进行采样，信号幅值高，大电流档和小电流档具有相同的稳定度。磁调制器有效抑制了激励振荡器的零频噪声、减少了输出高次谐波，达到高精度、低温漂、线性好的性能。

2.4 幅值调节电路

如图7中，采用16位数/模转换器DAC702KH作为主控调节直流基准电压，R1、R2为具有低温度系数、低噪声的精密电阻[16]，电位器Rp并联于R1上实现调节功能，且通过电缆可将Rp接置于外控调节器中。经测试，可调直流基准电压稳定性优于0.002%/3 min。

图7 幅值调节电路图

3 测试试验

400A直流恒流电流源实际测量现场如图8所示，使用的标准设备包括：FLUKE8508数表、1281数字多用表、A40B精密分流器、DLB -1000高精度交直流电流表等。

图8 测试现场图

其100 A和400 A档在1 min和5 min内的电流实测曲线如图8～图11所示。

图9 100 A档1 min电流实测曲线图

图10 100 A档5 min电流实测曲线图

图11 400 A档1分钟电流实测曲线图

图12 400 A档5分钟电流实测曲线图

由图9～图12可知，100 A档在1 min和5 min内电流实测最小值和最大值分别为100.001 1 A、100.002 A和100.002 A、100.002 2 A，稳定度分别为0.000 9%和0.002 0%；400 A档在1 min和5 min内电流实测最小值和最大值分别为400.034 A、400.052 A和400.050 A、400.078 A，稳定度分别为0.004 5%和0.007 0%。综上所述，该400 A直流稳流电源每分钟稳定度﹤0.005%，其它测试结果如表1所示。

表1 直流恒流电流源实测性能参数

4 不确定度分析

采用贝塞尔法进行A类不确定度评定，实验标准差为

(6)

A类不确定度u(xi)为

(7)

5 结束语

本文基于磁调制比较仪作为直流反馈，通过电阻采样进行直流电压反馈调节，研制了直流400 A、0.005 %稳定度直流稳流电源。样机测试结果：100A时输出端电压为3.17 V、400 A时输出端电压为2.25 V；最大输出功率600 W；每分钟稳定度﹤0.005%，优于0.01%/3 min；纹波﹤1%；A类测量不确定度为：DCV为5.0 10-6，DCI 为1.0 10-4(k=2)。与设计指标对比可知，该设计已达到设计指标，证明了设计的有效性和正确性。该高稳定大电流输出恒流源的研发为直流电子式互感器溯源检测提供了技术基础。