CN110320951B - 一种基于零磁通电流闭环反馈的电流源 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于零磁通电流闭环反馈的电流源，属于电源技术领域，解决现有大功率电流源的稳定度和准确度不能满足要求的问题，电源包括，输入回路、调节回路、输出回路和环形磁芯；通过调节回路对环形磁芯内的磁通进行调节，使输入回路产生的输入磁通与输出回路产生的反馈磁通平衡，使输出回路的电流保持恒定，并可通过控制输入回路中的安匝数，控制输出回路中的输出电流大小。本发明电流调节控制方法较简单，能够保证大功率电流精度，提高电源输出准确度性能。
Description
技术领域
本发明涉及电源技术领域，尤其是一种基于零磁通电流闭环反馈的电流源。
背景技术
随着加速器建设，对于批量直流电流传感器(Direct Current-CurrentTransformer，DCCT)精度的校准技术需求也是愈加明显。目前仅有mA级别的电流源输出的标准电流能达到ppm量级(parts per million，百万分之，通常表示误差的相对大小，ppm值越小，说明误差越小，精度越高)的稳定性和准确度；而对于DCCT而言，通常检测标准电流应当至少为百A级别，因此至少需要高精度百A级别的标准电流对其校准。对于大功率电流源，由于其自身就需要传感器作为采样元件，且整个系统需要极高的温度稳定性，因此其输出的百A级别的标准电流仅能实现100ppm量级的精度，基于这种标准电流校准的DCCT也仅能保证100ppm量级的测量精度。以高能光源为例，为了保证束流品质，电源的稳定度要求优于10ppm，准确度更是优于50ppm，目前的大功率电源无法实现如此高精度的校准。
发明内容
鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种基于零磁通电流闭环反馈的电流源，解决现有大功率电流源的稳定度和准确度不能满足批量DCCT精度的校准要求的问题。
本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：
一种基于零磁通电流闭环反馈的电流源，包括，输入回路、调节回路、输出回路和环形磁芯；
所述输入回路，包括电流基准源和缠绕在所述环形磁芯上的第一线圈；在所述电流基准源输入电流的驱动下，第一线圈在环形磁芯上产生输入磁通；
所述输出回路，包括电源驱动器和缠绕在所述环形磁芯上的第二线圈，所述第二线圈与电源驱动器、负载连接构成输出回路，在所述电源驱动器的输出电流驱动下，第二线圈在环形磁芯上产生反馈磁通；
所述调节回路与电源驱动器连接，通过感应环形磁芯上的磁通变化，调节电源驱动器的输出电流；
通过调整所述输入回路中的安匝数，使得所述电源驱动器输出预先设定大小的电流。
进一步地，所述输入回路还包括与第一线圈连接的接入匝数控制器，用于通过控制所述第一线圈的接入匝数，调整输入回路中的安匝数。
进一步地，所述第一线圈采用二进制绕线方式，包括N个二进制绕线组，其中，第1个二进制绕线组的匝数为20圈，第i个二进制绕线组的匝数为2i圈，第N个二进制绕线组的匝数为2N圈；
所述接入匝数控制器为N路换向开关，分别与N个二进制绕线组对应连接，用于将选定的二进制绕线组，串行接入到输入回路中。
进一步地，所述调节回路包括补偿激励器、磁通快响器、磁通补偿器和电流调节器；
所述补偿激励器包括缠绕在环形磁芯上的激励线圈和零磁通检测器；所述激励线圈用于感应环形磁芯上的磁通变化；并将磁通变化输出到所述零磁通检测器，进行磁场检测；当环形磁芯上的磁通非零时，输出与磁通对应的感应电流到磁通补偿器；
所述磁通快响器包括缠绕在环形磁芯上的快响线圈，用于感应环形磁芯上的快速磁通变化，输出与磁通变化对应的快响电流到磁通补偿器；
所述磁通补偿器包括叠加放大器和补偿线圈；所述叠加放大器接收所述补偿激励器输出的感应电流和磁通快响器输出的快响电流，进行电流叠加、放大后，输出到缠绕在环形磁芯上的补偿线圈，对软磁磁环内的磁通进行补偿调节，使软磁磁环内的磁通减少到零；在磁通为零时，补偿线圈中的电流为零；
所述电流调节器与输出回路的电源驱动器连接，对补偿线圈的电流进行采样、调理后，输出到电源驱动器中驱动产生输出电流。
进一步地，所述电流调节器包括采样器和调理放大器；
所述采样器包括精密采样电阻，采样磁通补偿电流，输出采样电压；
所述调理器为比例积分调节器，对采样电压进行比例积分后，输出到电源驱动器中驱动产生输出电流。
进一步地，所述精密采样电阻采用内部六芯片匹配的集成封装结构，准确度指标优于1ppm；
所述比例积分调节器采用精密运放，运放的温度稳定度优于±0.1℃。
进一步地，所述环形磁芯由M个重叠在一起的软磁磁环构成；M为大于等于3的奇数。
进一步地，所述第一线圈、第二线圈和补偿线圈分别缠绕在全部的软磁磁环上；所述快响线圈缠绕在其中一个软磁磁环上，所述激励线圈缠绕在剩余的M-1个软磁磁环上；
所述激励线圈包括绕向相反、匝数相同的正向激励绕组和反向激励绕组，每个激励绕组包括
个线圈，每个线圈分别缠绕在不同的软磁磁环上。
进一步地，所述补偿线圈与快响线圈的绕向相同，所述补偿线圈的匝数为500～1000匝。
进一步地，所述输出回路还包括平波电感在内的滤波器，用于滤除输出电流中的纹波电流。
本发明有益效果如下：
1.提供了一种高精度的大功率电流源，通过零磁通平衡的调节作用，能够实现大功率电流源内部回路的闭环控制，保证大功率电流的输出准确度；
2.通过调节第一线圈接入输入回路的线圈匝数，可现实输出大功率电流值的调节；
3.通过补偿回路的调节作用，控制方法较简单，且能够保证大功率电流精度。
附图说明
附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
图1为本发明实施例中的电流源的电路连接示意图；
图2为本发明实施例中的电阻温度系数的控制关系示意图；
图3为本发明实施例中当M＝3时，激励线圈、快响线圈和补偿线圈的绕线示意图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。
本实施例公开了一种基于零磁通电流闭环反馈的电流源，用于产生大功率可调的高精度直流电流。可用于DCCT量程范围为400A以内的DCCT校准，校准后的精度优于20ppm。
如图1所示，电流源包括，输入回路、调节回路、输出回路和环形磁芯；
所述输入回路，包括电流基准源和第一线圈；所述第一线圈缠绕在所述环形磁芯上与电流基准源连接构成输入回路，在所述电流基准源输入电流的驱动下，第一线圈在环形磁芯上产生输入磁通；
所述输出回路，包括电源驱动器、第二线圈，所述第二线圈缠绕在所述环形磁芯上与电源驱动器、负载连接构成输出回路，在所述电源驱动器的输出电流驱动下，第二线圈在环形磁芯上产生反馈磁通；
所述调节回路与电源驱动器连接，通过感应环形磁芯上的磁通变化，调节电源驱动器的输出电流，调节反馈磁通，达到反馈磁通与输入磁通的平衡，相互抵消为零磁通；
所述输入回路中的安匝数，根据预先设定的电源驱动器输出电流的大小设定。
由于零磁通时，输入磁通与反馈磁通相等，输入回路中的安匝数等于输出回路中的安匝数；即I输入*n接入＝I输出*n接出；
在n接出(第二线圈匝数)固定时对于一个设定的输出目标电流，对应一个输入回路中的安匝数I输入*n接入
即，通过控制第一线圈的接入匝数和电流基准源的输入电流值可实现对输出目标电流大小的控制。
其中，为达到对电流输出精度的要求，输入回路的电流基准源采用高精度小范围内可调的小功率电流源，其中电流基准输出100mA，输出电流精度优于3ppm；
优选的，为实现对输入回路中的安匝数控制，所述输入回路还包括与第一线圈连接的接入匝数控制器，控制所述第一线圈的接入匝数。
为了使接入匝数精确可控，所述第一线圈采用二进制绕线方式，包括N个二进制绕线组，其中，第1个二进制绕线组的匝数为20圈，第i个二进制绕线组的匝数为2i圈，第N个二进制绕线组的匝数为2N圈；
优选的，所述接入匝数控制器为N路换向开关，与N个二进制绕线组对应连接，用于将选定的二进制绕线组，串行接入到输入回路中；
当某一路换向开关导通时，将该路对应的二进制绕线组接入到输入回路中，如果有多路换向开关导通时，将多路对应的二进制绕线组串行接入到输入回路中。
本实施例中DCCT量程范围为400A以内，直流源的输出电流在400A内可调，取N＝11，即采用二进制线圈的绕制第一线圈包括匝数为1圈，2圈，4圈，8圈，…，1024圈，2048圈的11个二进制绕线组；在与100mA电流基准源配合时，通过控制换向开关，当只有第一个二进制绕线组接入时，能够产生100mA*(20)的精密安匝数，当所有的二进制绕线组接入时，能产生100mA*(20+21+22+23+24+…+211)＝409.5A的精密安匝数；
具体的，所述输出回路的第二线圈采用穿过或单圈缠绕于环形磁芯；即第二线圈的匝数为1圈，第一线圈与第二线圈的匝数比为1:1～4095:1。
当磁环达到零磁通平衡时，即反馈电流与输入的高精度基准电流的误差为零时，输入回路中的安匝数等于输出回路中的安匝数；100mA*n接入＝I*1(n接入为第一线圈接入匝数，第二线圈匝数为1)，因此输出的目标电流I可在0A～409.5A范围内，根据接入基准电流回路中的线圈数来调节控制。
具体的，所述调节回路包括补偿激励器、磁通快响器、磁通补偿器和电流调节器；
所述补偿激励器包括缠绕在环形磁芯上的激励线圈和零磁通检测器；所述激励线圈用于感应环形磁芯上的磁通变化；并将磁通变化输出到所述零磁通检测器，进行磁场检测；当环形磁芯上的磁通非零时，输出与磁通对应的感应电流到磁通补偿器；
所述磁通变化指输出电流变化引起的应环形磁芯内磁通的变化。
所述磁通快响器包括缠绕在环形磁芯上的快响线圈，用于感应软磁磁环上的快速磁通变化，输出与磁通变化对应的快响电流到磁通补偿器；
所述快速磁通变化包括输入磁通或输出磁通快速变化的情况；例如改变第一线圈接入匝数来改变输入安匝数，引起的输入磁通快速变化。
所述磁通补偿器包括叠加放大器和补偿线圈；所述叠加放大器接收所述补偿激励器输出的感应电流和磁通快响器输出的快响电流，进行电流叠加、放大后，输出到缠绕在环形磁芯上的补偿线圈，对软磁磁环内的磁通进行补偿调节，使软磁磁环内的磁通减少到零；在磁通为零时，补偿线圈中的电流为零；
所述电流调节器与输出回路的电源驱动器连接，对补偿线圈的电流进行采样、调理后，输出到电源驱动器中驱动产生输出电流。
具体的，所述电流调节器包括采样器和调理放大器；
所述采样器包括精密采样电阻，采样磁通补偿电流，输出采样电压；
所述调理器为比例积分调节器，对采样电压进行比例积分后，输出到电源驱动器中驱动产生输出电流。
因电流闭环通过磁通比较，采用零磁通检测方法得到电流误差信号，经采样电阻将电流信号转换为电压信号后进行调理，对于采样电阻需采用高准确度和高稳定性电阻，为确保I/V转换的精度，可选择达到0.1ppm甚至更低的水平的精密电阻，而电阻的准确性主要受温度系数和功率系数两个因素的影响。
为了更好的降低功率系数对电阻准确度的影响，采样电阻采用内部六芯片匹配的集成封装结构，即单只电阻内部通过六个电阻箔片串联方式均分电流的方法，降低功率系数产生的影响，而内置六个电阻箔片通过精密的匹配达到精度和功率系数的绝对一致性；而考虑到温度系数对阻值的影响，如图2所示，在分析电阻金属箔固有的电阻率的基础上应用特殊材料的陶瓷基板与电阻率进行匹配，产生相反变化率的应力抑制，降低整个温度系数的影响。从整个系统设计需求分析，参考电阻精度可达到1ppm/℃温度系数、1ppm/年的漂移量及优于0.1ppm的准确度，综合考虑，参考电阻的准确度指标可优于1ppm。
比例积分调节器的运放对于电流源的精密程度起至关重要的作用。考虑到系统电流输出噪声和稳定性对测量带来的影响，该运放必须选用精密运放，具有低失调电压、低温漂、高增益和低带宽特性，同时为了提高输出的稳定性，该部分运放可通过温度控制实现，温度稳定性优于±0.1℃。
优选的，所述环形磁芯由M个重叠在一起的软磁磁环构成；M为大于等于3的奇数。通过增加软磁磁环的数量能够更精确的得到磁通的变化。
具体的线圈缠绕方式如下：
所述第一线圈、第二线圈和补偿线圈分别缠绕在全部的软磁磁环上，所有线圈的匝数可根据电源设计需求调整；
所述快响线圈只缠绕在其中一个软磁磁环上；
所述激励线圈缠绕在剩余的M-1个软磁磁环上；
所述激励线圈包括绕向相反、匝数相等的正向激励绕组和反向激励绕组，每个激励绕组包括
个线圈，每个线圈分别缠绕在不同的软磁磁环上；
并且，所述快响线圈与激励线圈的每个线圈的匝数可以相同；
所述补偿线圈与快响线圈的绕向相同。
图3为当M＝3时，激励线圈、快响线圈和补偿线圈的绕线示意图。
在非平衡状态下，输入电流与第一线圈的匝数乘积＝补偿线圈电流乘以补偿匝数+输出电流乘以第二线圈；而在平衡状态下，补偿线圈中的电流应该为零，此时的输入电流与第一线圈的匝数乘积＝输出电流乘以第二线圈匝数。
为与采样电阻、调理放大器和电源驱动器功率放大器的性能相匹配，补偿线圈的匝数可根据电源设计需求确定，本实施例补偿线圈的匝数为500～1000圈。
当第一线圈的匝数为1时，即使补偿线圈中的电流比输入回路中的电流缩小500～1000倍。
通过，零磁通平衡的等比例电流缩比，结合线性电源输出稳定性及准确性的零磁通电流闭环反馈技术，可实现对多台DCCT优于20ppm精度的精密校准；
在电流源的输出控制中，首先根据目标输出电流的需求将基准电流通入二进制法快速得到的绕制线圈中，并根据零磁通平衡，在补偿线圈中将输入电流等比例缩小，通过高精密采样电阻转换成电压信号，再经过比例放大和功率放大输出目标电流；
从测量原理上，将输出电流等比例缩小作为调节回路的电流，克服了因高精度基准电流源的输出电流小(基本为百毫安级别)而无法保证输出范围的缺点，同时二进制的方法不仅可快速实现按需调节接入基准电流回路线圈的匝数，而且可避免因调节基准源输出电流量程引入的误差，可更好的提高输入电流的准确性和线性度，匝比的准确度可达到优于3ppm量级；
再考虑高精密大功率电流源的需求，在低带宽频率下(600Hz及以下)通过电压闭环控制及输出滤波的设计，确保输出电压纹波(峰峰值)实现小于5mV的水平，进而可保证输出的电流稳定度可优于10ppm。
综合分析零磁通平衡的电流缩比部分和电流功率放大部分等因素，系统总测量精度可达20ppm水平。
为进一步消除输出电压纹波对输出电流的影响，所述输出回路还包括平波电感在内的滤波器，用于滤除输出电流中的纹波电流。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种基于零磁通电流闭环反馈的电流源，其特征在于，包括，输入回路、调节回路、输出回路和环形磁芯；
所述环形磁芯由M个重叠在一起的软磁磁环构成；M为大于等于3的奇数；
所述输入回路，包括电流基准源和缠绕在所述环形磁芯上的第一线圈；在所述电流基准源输入电流的驱动下，第一线圈在环形磁芯上产生输入磁通；
所述输出回路，包括电源驱动器和缠绕在所述环形磁芯上的第二线圈，所述第二线圈与电源驱动器、负载连接构成输出回路，在所述电源驱动器的输出电流驱动下，第二线圈在环形磁芯上产生反馈磁通；
所述调节回路与电源驱动器连接，通过感应环形磁芯上的磁通变化，调节电源驱动器的输出电流；
通过调整所述输入回路中的安匝数，使得所述电源驱动器输出预先设定大小的电流；
所述调节回路包括补偿激励器、磁通快响器、磁通补偿器和电流调节器；
所述补偿激励器包括缠绕在环形磁芯上的激励线圈和零磁通检测器；所述激励线圈用于感应环形磁芯上的磁通变化；并将磁通变化输出到所述零磁通检测器，进行磁场检测；当环形磁芯上的磁通非零时，输出与磁通对应的感应电流到磁通补偿器；
所述磁通快响器包括缠绕在环形磁芯上的快响线圈，用于感应环形磁芯上的快速磁通变化，输出与磁通变化对应的快响电流到磁通补偿器；
所述磁通补偿器包括叠加放大器和补偿线圈；所述叠加放大器接收所述补偿激励器输出的感应电流和磁通快响器输出的快响电流，进行电流叠加、放大后，输出到缠绕在环形磁芯上的补偿线圈，对软磁磁环内的磁通进行补偿调节，使软磁磁环内的磁通减少到零；在磁通为零时，补偿线圈中的电流为零；
所述电流调节器与输出回路的电源驱动器连接，对补偿线圈的电流进行采样、调理后，输出到电源驱动器中驱动产生输出电流。
2.根据权利要求1所述的电流源，其特征在于，所述输入回路还包括与第一线圈连接的接入匝数控制器，用于通过控制所述第一线圈的接入匝数，调整输入回路中的安匝数。
3.根据权利要求2所述的电流源，其特征在于，所述第一线圈采用二进制绕线方式，包括N个二进制绕线组，其中，第1个二进制绕线组的匝数为20圈，第i个二进制绕线组的匝数为2i圈，第N个二进制绕线组的匝数为2N圈；
所述接入匝数控制器为N路换向开关，分别与N个二进制绕线组对应连接，用于将选定的二进制绕线组，串行接入到输入回路中。
4.根据权利要求1所述的电流源，其特征在于，所述电流调节器包括采样器和调理放大器；
所述采样器包括精密采样电阻，采样磁通补偿电流，输出采样电压；
所述调理器为比例积分调节器，对采样电压进行比例积分后，输出到电源驱动器中驱动产生输出电流。
5.根据权利要求4所述的电流源，其特征在于，所述精密采样电阻采用内部六芯片匹配的集成封装结构，准确度指标优于1ppm；
所述比例积分调节器采用精密运放，运放的温度稳定度优于±0.1℃。
6.根据权利要求1所述的电流源，其特征在于，所述第一线圈、第二线圈和补偿线圈分别缠绕在全部的软磁磁环上；所述快响线圈缠绕在其中一个软磁磁环上，所述激励线圈缠绕在剩余的M-1个软磁磁环上；
所述激励线圈包括绕向相反、匝数相同的正向激励绕组和反向激励绕组，每个激励绕组包括
个线圈，每个线圈分别缠绕在不同的软磁磁环上。
7.根据权利要求1所述的电流源，其特征在于，所述补偿线圈与快响线圈的绕向相同，所述补偿线圈的匝数为500～1000匝。
8.根据权利要求1-7任一所述的电流源，其特征在于，所述输出回路还包括平波电感在内的滤波器，用于滤除输出电流中的纹波电流。
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| CN108646836A (zh) * | 2018-06-22 | 2018-10-12 | 中国科学院高能物理研究所 | 大功率精密电流源、批量校准装置、电流生成及校准方法 |
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2019
- 2019-07-01 CN CN201910588410.5A patent/CN110320951B/zh not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101661054A (zh) * | 2009-09-22 | 2010-03-03 | 国网电力科学研究院 | 一种用于直流高压输电的光纤直流电流比较仪 |
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 基于零磁通原理的微电流传感器的研究;王文等;《仪表技术与传感器》;20180315;第2018卷(第3期);23-25,29 * |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110320951A (zh) | 2019-10-11 |
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