脉冲电流测量线圈试验验证平台的研制

常 亮 ，朱望纯 ，刘 冲

（1.桂林电子科技大学，广西 桂林 541004；2.中国电子技术标准化研究院，北京100176）

0 前言

脉冲电流测量线圈主要用在测量功率半导体器件测试系统内部的脉冲电流等方面[1]，功率半导体器件测试系统内部脉冲电流信号上升时间约十几个微秒到几十个微秒，电流幅值达到数千安培，要求的脉冲电流测量线圈能准确的对其测量[2]。由于脉冲电流测量线圈性能参数是否达到要求，无法断定，脉冲电流测量线圈能否准确测量功率半导体器件测试系统内部脉冲电流信号，更无从获知。脉冲电流测量线圈性能参数直接关联着功率半导体器件测试系统性能的优越，因此采取更加合理的验证平台验证脉冲电流测量线圈非常关键。脉冲电流测量线圈性能参数频带特性约几千赫兹到上百千赫兹，电流幅值约3 000 A，因此，研建的脉冲电流测量线圈试验验证平台上升时间约几个微秒，下降时间约几十个微秒，电流幅值不小于3 000 A.

1 验证平台原理分析

脉冲电流测量线圈试验验证平台使用非振荡放电原理，产生非振荡脉冲电流波，其原理：高压源对储能电容器充电，待充电完成后，经放电开关将存储的电能快速泄放到负载上，得到脉冲电流波[3]，电路如图1所示。

图1 验证平台原理图

开关S1闭合，S2断开，直流高压源开始对电容C进行充电，待电容C电压达到 时，开关S1断开，S2闭合，电容与电感L和负载R形成电路回路，电容在回路开始放电，根据KVL方程则有：

根据电容、电感元件特性有：

式（2）是一个线性常系数二阶齐次微分方程，令UC=Aept，代入式（2）得特征方程：

非振荡放电过程，须满足：

因而p1和p2是两个不等的负实根，则方程的特征根为：

根据初始状态条件可以得出：

产生在负载R的电流：

在放电过程电流从小到大最后趋于零的变化，电流达最大值的时刻由

得出：

代入tm便可得出电流最大值：

经上述推导，从式（5）、（9）可以得出：增大电容 C和减小电感L可以得到更小脉冲电流波的上升时间。从式（10）可以得出：产生的电流波形的电流幅度与电容器存储的电能成正比，对于负载电阻，负载电阻值越小，产生的电流波形的输出电流幅度越大，反之，负载电阻值越大，产生的电流波形的输出电流幅度越小。综合分析，提高电容器容值，减小电感值以及合理选择放电回路负载电阻，便能得到特定电流幅度和上升时间的脉冲电流波形。

2 验证平台的研制

脉冲电流测量线圈的频带几千赫兹到上百千赫兹，需要建立的脉冲电流信号的上升时间约几个微秒，下降时间为几十个微秒，根据此需求研制出能对频带特性在上十千赫兹到上百千赫兹的脉冲电流测量线圈进行试验的验证平台，验证平台需要选择上升时间约3.5μs、下降时间约35μs，且测量的电流幅值3 000 A.

2.1 验证平台仿真

验证平台采用软件ATP（The Alternative Transients Program）仿真，目前，仿真软件ATP是应用非常广泛的电磁暂态分析软件，在电力电子系统经常用来仿真[3]。根据验证平台原理得出仿真电路网络，如图2所示，负载电阻R端输出脉冲电流波形。

图2 验证平台仿真电路

2.2 负载电阻对验证平台的影响

采用负载电阻值分别为2Ω、1Ω、0.5Ω，电容值均为15μF，电感为1.25μH进行输出电流波形仿真，仿真结果如图3所示。

图3 不同负载电阻的验证平台波形仿真

从仿真结果可以得出：负载电阻值越大，脉冲电流波幅值越小、下降时间越大，脉冲电流波上升时间反而延长。

2.3 调波电感对验证平台的影响

设置储能电容15μF，负载电阻为1Ω，调波电感分别为2.5μH、1.25μH、0.625μH进行输出电流波形仿真，仿真波形如图4所示。

图4 不同调波电感的验证平台波形仿真

从仿真结果可以得出：调波电感越大，脉冲电流波上升时间越长，调波电感过小输出电流波形失真。

2.4 储能电容对验证平台的影响

保持电感、负载参数不变，即储能电感1.25μH，负载电阻为1Ω，储能电容分别为30μF、15μF、7.5 μF进行输出电流波形仿真，仿真波形如图5所示。

图5 不同储能电容的验证平台波形仿真

从仿真结果可以得出：储能电容越大，脉冲电流波幅值越大、下降时间越大，且脉冲电流波上升时间基本不变。

2.5 验证平台的设计

通过软件ATP对脉冲电流测量线圈试验验证平台进行仿真，按照储能电容C=15μF，调波电感L=1.25μH，负载电阻R2=1Ω进行输出电流波形仿真，仿真结果如图6所示。

图6 脉冲电流测量线圈试验验证平台仿真

根据验证平台原理设计验证平台电路工作原理图[3]，如图7所示，脉冲电流源电路工作原理[4-5]通过定制的直流高压源，整流二极管D与限流电阻R1，充电开关K1的闭合实现对储能电容C进行充电，充电完成充电开关K1断开；再通过放电开关K2的闭合，储能电容C通过调波电感L与负载电阻R2进行放电[6]，产生脉冲电流波。

图7 验证平台电路工作原理图

根据仿真结果结合实际所需，得出相关参数（L=1.25μH、C=15μF、R=1Ω），设计了如图 8所示验证平台总体框图，实验平台主要由电流发生单元和监测控制单元组成，电流发生单元是实验平台的核心，使用电容的储能特性对电路网络进行充放电，产生脉冲电流波；监测控制单元实现对电流发生单元的开关量进行控制，同时监测电流发生单元的电流相关信息。

图8 验证平台总体设计框图

经过上述分析、设计，需要选择的元器件包括：负载电阻、储能电容、调波电感、电阻、高压电源、放电开关、充电开关、整流硅堆、PLC控制器、触摸屏、分压电阻臂、模拟量输入模块等。针对验证平台的电流幅度和时间参数的要求，选择元器件有特定的要求，主要元器件的选型着重考虑如下：

（1）负载电阻

由于电感对电流波形影响非常大，要求无感性的负载电阻，负载电阻须采用无感电阻。

（2）储能电容

验证平台的电流幅度达到几千安，要求储能电容有足够强的耐压能力。

（3）放电开关

验证平台的脉冲电流波电流幅度达到几千安，响应时间在几个微秒，要求放电开关有非常强的通流能力，并且开关速度须达到ns级。

（4）充电开关

验证平台的脉冲电流波电流幅度达到几千安，充电开关需要有防电弧的功能，且额定电压要足够高。

（5）高压电源

选择的高压电源输出电压能力需达到3 000 V以上，放电回路存在一定电阻，需要留有一定的裕量，要求电压输出稳定度精度越高越好。

（6）分压电阻臂

分压电阻臂主要是将储能电容的端电压的转换成监测控制单元能够处理的低电压信号，选择的分压电阻额定电压不应小于储能电容电压。

（7）整流硅堆

整流硅堆作为电流发生单元的的保护二极管，具有防止电流反向的作用以及在限流电阻出现异常时限制电流的作用，选择的整流硅堆整流能力须大于充电电流。

经过设计、安装、固定，最终搭建如图9所示的验证平台。

图9 验证平台实物图

经测试验证平台波形如图10所示。

图10 脉冲电流测量线圈试验验证平台电流波形

从波形上看与仿真波形一致，在性能参数上还需要进一步经过实验进行验证。

3 验证平台性能参数验证

验证平台性能参数包括时间参数（上升时间和下降时间）和电流幅度，验证平台时间参数在μs级，电流幅度几千安，因此需要采取适宜的设备对其性能参数进行验证。

3.1 验证平台时间参数验证

测试采用仪器为示波器MSO4104B和刻度因数为1 000 A/V的皮尔森电流线圈，其连接如图11所示。

图11 验证平台时间参数验证连接图

经过实验得出验证平台时间参数实验数据，如表1所示。

表1 验证平台时间参数实验数据

分析验证平台的实验数据，取上升时间的平均值为2.6μs，同理取下降时间的平均值为35μs，因此经过测试数据分析验证平台的上升时间为2.6μs，下降时间35.0μs，电流幅值可达3 000 A.

3.2 验证平台电流幅度验证

测试采用仪器为数据采集卡NIPCI-5124结合软件LabVIEW8.5和刻度因数为1000A/V的皮尔森电流线圈，连接如图12所示。

图12 验证平台电流幅度验证连接图

经过实验得出验证平台电流幅值实验数据，如表2所示。

表2 电流幅度实验数据

从验证平台得出的电流幅度实验数据可以得出：电流幅度可以达到3 000 A，且误差优于2%.

4 结束语

通过对脉冲电流测量线圈试验验证平台的原理和电路仿真分析，得出了影响脉冲电流测量线圈试验验证平台波形电流幅值主要因子有负载电阻、储能电容，且负载电阻值越小、储能电容越大、幅值越大；影响脉冲电流测量线圈试验验证平台波形时间参数主要因子有负载电阻、储能电容、调波电感，且负载电阻值越大、储能电容越大，下降时间越大，低频特性提高，负载电阻值越小、调波电感越小，上升时间越小，高频特性提高。经试验验证研建的脉冲电流测量线圈试验验证平台上升时间为2.6μs、下降时间35μs、电流幅值3000 A，且电流幅值技术指标优于±2%.