常 亮 ，朱望純 ，劉 沖

（1.桂林電子科技大學(xué)，廣西 桂林 541004；2.中國(guó)電子技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化研究院，北京100176）

0 前言

脈沖電流測(cè)量線圈主要用在測(cè)量功率半導(dǎo)體器件測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)部的脈沖電流等方面[1]，功率半導(dǎo)體器件測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)部脈沖電流信號(hào)上升時(shí)間約十幾個(gè)微秒到幾十個(gè)微秒，電流幅值達(dá)到數(shù)千安培，要求的脈沖電流測(cè)量線圈能準(zhǔn)確的對(duì)其測(cè)量[2]。由于脈沖電流測(cè)量線圈性能參數(shù)是否達(dá)到要求，無(wú)法斷定，脈沖電流測(cè)量線圈能否準(zhǔn)確測(cè)量功率半導(dǎo)體器件測(cè)試系統(tǒng)內(nèi)部脈沖電流信號(hào)，更無(wú)從獲知。脈沖電流測(cè)量線圈性能參數(shù)直接關(guān)聯(lián)著功率半導(dǎo)體器件測(cè)試系統(tǒng)性能的優(yōu)越，因此采取更加合理的驗(yàn)證平臺(tái)驗(yàn)證脈沖電流測(cè)量線圈非常關(guān)鍵。脈沖電流測(cè)量線圈性能參數(shù)頻帶特性約幾千赫茲到上百千赫茲，電流幅值約3 000 A，因此，研建的脈沖電流測(cè)量線圈試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)上升時(shí)間約幾個(gè)微秒，下降時(shí)間約幾十個(gè)微秒，電流幅值不小于3 000 A.

1 驗(yàn)證平臺(tái)原理分析

脈沖電流測(cè)量線圈試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)使用非振蕩放電原理，產(chǎn)生非振蕩脈沖電流波，其原理：高壓源對(duì)儲(chǔ)能電容器充電，待充電完成后，經(jīng)放電開(kāi)關(guān)將存儲(chǔ)的電能快速泄放到負(fù)載上，得到脈沖電流波[3]，電路如圖1所示。

圖1 驗(yàn)證平臺(tái)原理圖

開(kāi)關(guān)S1閉合，S2斷開(kāi)，直流高壓源開(kāi)始對(duì)電容C進(jìn)行充電，待電容C電壓達(dá)到 時(shí)，開(kāi)關(guān)S1斷開(kāi)，S2閉合，電容與電感L和負(fù)載R形成電路回路，電容在回路開(kāi)始放電，根據(jù)KVL方程則有：

根據(jù)電容、電感元件特性有：

式（2）是一個(gè)線性常系數(shù)二階齊次微分方程，令UC=Aept，代入式（2）得特征方程：

非振蕩放電過(guò)程，須滿足：

因而p1和p2是兩個(gè)不等的負(fù)實(shí)根，則方程的特征根為：

根據(jù)初始狀態(tài)條件可以得出：

產(chǎn)生在負(fù)載R的電流：

在放電過(guò)程電流從小到大最后趨于零的變化，電流達(dá)最大值的時(shí)刻由

得出：

代入tm便可得出電流最大值：

經(jīng)上述推導(dǎo)，從式（5）、（9）可以得出：增大電容 C和減小電感L可以得到更小脈沖電流波的上升時(shí)間。從式（10）可以得出：產(chǎn)生的電流波形的電流幅度與電容器存儲(chǔ)的電能成正比，對(duì)于負(fù)載電阻，負(fù)載電阻值越小，產(chǎn)生的電流波形的輸出電流幅度越大，反之，負(fù)載電阻值越大，產(chǎn)生的電流波形的輸出電流幅度越小。綜合分析，提高電容器容值，減小電感值以及合理選擇放電回路負(fù)載電阻，便能得到特定電流幅度和上升時(shí)間的脈沖電流波形。

2 驗(yàn)證平臺(tái)的研制

脈沖電流測(cè)量線圈的頻帶幾千赫茲到上百千赫茲，需要建立的脈沖電流信號(hào)的上升時(shí)間約幾個(gè)微秒，下降時(shí)間為幾十個(gè)微秒，根據(jù)此需求研制出能對(duì)頻帶特性在上十千赫茲到上百千赫茲的脈沖電流測(cè)量線圈進(jìn)行試驗(yàn)的驗(yàn)證平臺(tái)，驗(yàn)證平臺(tái)需要選擇上升時(shí)間約3.5μs、下降時(shí)間約35μs，且測(cè)量的電流幅值3 000 A.

2.1 驗(yàn)證平臺(tái)仿真

驗(yàn)證平臺(tái)采用軟件ATP（The Alternative Transients Program）仿真，目前，仿真軟件ATP是應(yīng)用非常廣泛的電磁暫態(tài)分析軟件，在電力電子系統(tǒng)經(jīng)常用來(lái)仿真[3]。根據(jù)驗(yàn)證平臺(tái)原理得出仿真電路網(wǎng)絡(luò)，如圖2所示，負(fù)載電阻R端輸出脈沖電流波形。

圖2 驗(yàn)證平臺(tái)仿真電路

2.2 負(fù)載電阻對(duì)驗(yàn)證平臺(tái)的影響

采用負(fù)載電阻值分別為2Ω、1Ω、0.5Ω，電容值均為15μF，電感為1.25μH進(jìn)行輸出電流波形仿真，仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同負(fù)載電阻的驗(yàn)證平臺(tái)波形仿真

從仿真結(jié)果可以得出：負(fù)載電阻值越大，脈沖電流波幅值越小、下降時(shí)間越大，脈沖電流波上升時(shí)間反而延長(zhǎng)。

2.3 調(diào)波電感對(duì)驗(yàn)證平臺(tái)的影響

設(shè)置儲(chǔ)能電容15μF，負(fù)載電阻為1Ω，調(diào)波電感分別為2.5μH、1.25μH、0.625μH進(jìn)行輸出電流波形仿真，仿真波形如圖4所示。

圖4 不同調(diào)波電感的驗(yàn)證平臺(tái)波形仿真

從仿真結(jié)果可以得出：調(diào)波電感越大，脈沖電流波上升時(shí)間越長(zhǎng)，調(diào)波電感過(guò)小輸出電流波形失真。

2.4 儲(chǔ)能電容對(duì)驗(yàn)證平臺(tái)的影響

保持電感、負(fù)載參數(shù)不變，即儲(chǔ)能電感1.25μH，負(fù)載電阻為1Ω，儲(chǔ)能電容分別為30μF、15μF、7.5 μF進(jìn)行輸出電流波形仿真，仿真波形如圖5所示。

圖5 不同儲(chǔ)能電容的驗(yàn)證平臺(tái)波形仿真

從仿真結(jié)果可以得出：儲(chǔ)能電容越大，脈沖電流波幅值越大、下降時(shí)間越大，且脈沖電流波上升時(shí)間基本不變。

2.5 驗(yàn)證平臺(tái)的設(shè)計(jì)

通過(guò)軟件ATP對(duì)脈沖電流測(cè)量線圈試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)進(jìn)行仿真，按照儲(chǔ)能電容C=15μF，調(diào)波電感L=1.25μH，負(fù)載電阻R2=1Ω進(jìn)行輸出電流波形仿真，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6 脈沖電流測(cè)量線圈試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)仿真

根據(jù)驗(yàn)證平臺(tái)原理設(shè)計(jì)驗(yàn)證平臺(tái)電路工作原理圖[3]，如圖7所示，脈沖電流源電路工作原理[4-5]通過(guò)定制的直流高壓源，整流二極管D與限流電阻R1，充電開(kāi)關(guān)K1的閉合實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)能電容C進(jìn)行充電，充電完成充電開(kāi)關(guān)K1斷開(kāi)；再通過(guò)放電開(kāi)關(guān)K2的閉合，儲(chǔ)能電容C通過(guò)調(diào)波電感L與負(fù)載電阻R2進(jìn)行放電[6]，產(chǎn)生脈沖電流波。

圖7 驗(yàn)證平臺(tái)電路工作原理圖

根據(jù)仿真結(jié)果結(jié)合實(shí)際所需，得出相關(guān)參數(shù)（L=1.25μH、C=15μF、R=1Ω），設(shè)計(jì)了如圖 8所示驗(yàn)證平臺(tái)總體框圖，實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由電流發(fā)生單元和監(jiān)測(cè)控制單元組成，電流發(fā)生單元是實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的核心，使用電容的儲(chǔ)能特性對(duì)電路網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行充放電，產(chǎn)生脈沖電流波；監(jiān)測(cè)控制單元實(shí)現(xiàn)對(duì)電流發(fā)生單元的開(kāi)關(guān)量進(jìn)行控制，同時(shí)監(jiān)測(cè)電流發(fā)生單元的電流相關(guān)信息。

圖8 驗(yàn)證平臺(tái)總體設(shè)計(jì)框圖

經(jīng)過(guò)上述分析、設(shè)計(jì)，需要選擇的元器件包括：負(fù)載電阻、儲(chǔ)能電容、調(diào)波電感、電阻、高壓電源、放電開(kāi)關(guān)、充電開(kāi)關(guān)、整流硅堆、PLC控制器、觸摸屏、分壓電阻臂、模擬量輸入模塊等。針對(duì)驗(yàn)證平臺(tái)的電流幅度和時(shí)間參數(shù)的要求，選擇元器件有特定的要求，主要元器件的選型著重考慮如下：

（1）負(fù)載電阻

由于電感對(duì)電流波形影響非常大，要求無(wú)感性的負(fù)載電阻，負(fù)載電阻須采用無(wú)感電阻。

（2）儲(chǔ)能電容

驗(yàn)證平臺(tái)的電流幅度達(dá)到幾千安，要求儲(chǔ)能電容有足夠強(qiáng)的耐壓能力。

（3）放電開(kāi)關(guān)

驗(yàn)證平臺(tái)的脈沖電流波電流幅度達(dá)到幾千安，響應(yīng)時(shí)間在幾個(gè)微秒，要求放電開(kāi)關(guān)有非常強(qiáng)的通流能力，并且開(kāi)關(guān)速度須達(dá)到ns級(jí)。

（4）充電開(kāi)關(guān)

驗(yàn)證平臺(tái)的脈沖電流波電流幅度達(dá)到幾千安，充電開(kāi)關(guān)需要有防電弧的功能，且額定電壓要足夠高。

（5）高壓電源

選擇的高壓電源輸出電壓能力需達(dá)到3 000 V以上，放電回路存在一定電阻，需要留有一定的裕量，要求電壓輸出穩(wěn)定度精度越高越好。

（6）分壓電阻臂

分壓電阻臂主要是將儲(chǔ)能電容的端電壓的轉(zhuǎn)換成監(jiān)測(cè)控制單元能夠處理的低電壓信號(hào)，選擇的分壓電阻額定電壓不應(yīng)小于儲(chǔ)能電容電壓。

（7）整流硅堆

整流硅堆作為電流發(fā)生單元的的保護(hù)二極管，具有防止電流反向的作用以及在限流電阻出現(xiàn)異常時(shí)限制電流的作用，選擇的整流硅堆整流能力須大于充電電流。

經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)、安裝、固定，最終搭建如圖9所示的驗(yàn)證平臺(tái)。

圖9 驗(yàn)證平臺(tái)實(shí)物圖

經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證平臺(tái)波形如圖10所示。

圖10 脈沖電流測(cè)量線圈試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)電流波形

從波形上看與仿真波形一致，在性能參數(shù)上還需要進(jìn)一步經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

3 驗(yàn)證平臺(tái)性能參數(shù)驗(yàn)證

驗(yàn)證平臺(tái)性能參數(shù)包括時(shí)間參數(shù)（上升時(shí)間和下降時(shí)間）和電流幅度，驗(yàn)證平臺(tái)時(shí)間參數(shù)在μs級(jí)，電流幅度幾千安，因此需要采取適宜的設(shè)備對(duì)其性能參數(shù)進(jìn)行驗(yàn)證。

3.1 驗(yàn)證平臺(tái)時(shí)間參數(shù)驗(yàn)證

測(cè)試采用儀器為示波器MSO4104B和刻度因數(shù)為1 000 A/V的皮爾森電流線圈，其連接如圖11所示。

圖11 驗(yàn)證平臺(tái)時(shí)間參數(shù)驗(yàn)證連接圖

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)得出驗(yàn)證平臺(tái)時(shí)間參數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 驗(yàn)證平臺(tái)時(shí)間參數(shù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

分析驗(yàn)證平臺(tái)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，取上升時(shí)間的平均值為2.6μs，同理取下降時(shí)間的平均值為35μs，因此經(jīng)過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)分析驗(yàn)證平臺(tái)的上升時(shí)間為2.6μs，下降時(shí)間35.0μs，電流幅值可達(dá)3 000 A.

3.2 驗(yàn)證平臺(tái)電流幅度驗(yàn)證

測(cè)試采用儀器為數(shù)據(jù)采集卡NIPCI-5124結(jié)合軟件LabVIEW8.5和刻度因數(shù)為1000A/V的皮爾森電流線圈，連接如圖12所示。

圖12 驗(yàn)證平臺(tái)電流幅度驗(yàn)證連接圖

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)得出驗(yàn)證平臺(tái)電流幅值實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，如表2所示。

表2 電流幅度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

從驗(yàn)證平臺(tái)得出的電流幅度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出：電流幅度可以達(dá)到3 000 A，且誤差優(yōu)于2%.

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)脈沖電流測(cè)量線圈試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)的原理和電路仿真分析，得出了影響脈沖電流測(cè)量線圈試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)波形電流幅值主要因子有負(fù)載電阻、儲(chǔ)能電容，且負(fù)載電阻值越小、儲(chǔ)能電容越大、幅值越大；影響脈沖電流測(cè)量線圈試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)波形時(shí)間參數(shù)主要因子有負(fù)載電阻、儲(chǔ)能電容、調(diào)波電感，且負(fù)載電阻值越大、儲(chǔ)能電容越大，下降時(shí)間越大，低頻特性提高，負(fù)載電阻值越小、調(diào)波電感越小，上升時(shí)間越小，高頻特性提高。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證研建的脈沖電流測(cè)量線圈試驗(yàn)驗(yàn)證平臺(tái)上升時(shí)間為2.6μs、下降時(shí)間35μs、電流幅值3000 A，且電流幅值技術(shù)指標(biāo)優(yōu)于±2%.