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直流电流传感器的负载电阻特性

作者:G. Fernqvist, P. Dreesen, G. Hudson, J. Pickering 发表日期:2017-01-10 11:06:57 浏览量:700


摘要


直流电流传感器(DCCT)和搭配的交/直流转换器决定了 加速器操作中电源转换器的精度。在LHC(大型强子对撞机) 中,精度可以接近10-6 (1 ppm)。在DCCT中,负载电阻起着 将电流转化为输出电压的作用。该电阻的性能对DCCT的精度、 温度特性、过渡时间和长期稳定性都有着至关重要的作用。该 论文是在对市面上已有的不同类型的电阻进行一个叫做“功率 系数”的新型参数测试后,根据测试结果作出的评估报告。


简介


高精度是保证电子束位置和良好聚焦的关键。供应电流的电源转换器在反馈回路中使用了一个精密电流传感器以实现对输出电流的控制。对于高精度和大电流的应用,分立的精密传感器是首选。零通量电流变压器这一主导技术是指在积极反馈回路中装有一变压器,其带宽延伸至直流。结构【1】 以任意因子将总电流分为易管理的小电流(100mA-10A), 比例误差 <1 ppm (每一百万分之一,10-6)。


变压器的输出端与一负载电阻相连,2脚或4脚取决于阻值大小和所需的精度。该元件的性能是决定传感器整体精度的重要参数之一。


以前的加速器普遍被要求传感器的复现性要接近10ppm, 而精度要接近100ppm。出于多种原因,LHC对撞机要求精度提高超过一个数量级,其中一个重要因素便是8个机械部件之间的跟踪。因而将研究已知负载电阻设计的局限性和可能取得的提升作为LHC发展计划的一部分是很有必要的。


早期经验


DCCTs曾有少量被用于LHC原型中,大多数则被用于SPS加速器的翻修。DCCTs的接收测试常被用来提升测量用基本设备、技术和方法。影响整体特性的几个关键因素包括温度系数(TC),过渡行为,线性度,短时和长期漂移量所有这些由负载电阻性能所决定的特性。


以下性能适用于:


长期漂移量      < 5 ppm/年 非线性


温度系数 (TC) < 1 ppm/K


对部分使用Zeranin箔电阻作为负载电阻的DCCTs进行逾一年的监测,其漂移量如图1所描述。当工作条件发生变化时会引起漂移量的大幅波动。湿度影响带来的问题也很明显,但我们在这里不作讨论。正是由这些困难的观察,引起了后续一系列的研究。



负载电阻结构


电阻的选型


LHC应用要求上述参数的性能在ppm数量级。Hitec的专利Zeranin导线设计可提供最高精度,但其价格限制了它在最好的DCCTs中的使用。当今市场上只有一款电阻可以提供所需的性能,它便是Bulk Metal Foil, 简称“箔电阻”。该项由Vishay首创的技术,将轧制的金属箔与基底相连,以尽力抵消两者的应力效应,将抵消后的结果作为电阻的整体性能之一。以下的描述中仅考虑这种技术。通常认为金属具有防潮性。


仅考虑负载电阻的精密度是不够的,还必须考虑它的功率耗散。作为部件,其性能可由TC和功率耗散(功率热阻,后者称为 a,单位为K/Watt)引起的温度上升量计算出。实际应用中,任何电阻的性能均是由电阻元素(箔或导线)的稳定性、热力、机械包装和装配组合 而成。


电阻的功率系数 (PC)


随着电阻的耗散功率增大,电阻的温度将上升,并且最终引起阻值的变化。随后人们发现,即使是接近0温飘的负载电阻,其阻值也会随施加的电流呈非线性的变化。由此推导出,当热“流”从箔向基底扩散时, 会在箔和基底间产生一个与室温变化无关的温差。换言之即该类电阻固有的应力平衡被打破,继而令阻值受到TC和长期效应的影响。

图. 2 Bulk Metal Foil电流检测电阻的简视剖面图 设计旨在实现高稳定性的同时,利用了平面结构利于 散热的优点。



箔/硬环氧树脂/氧化铝基底三层设计使电阻对环境温度变化(例如对平均影响所有层的变化)实现了0TC。 金属箔的TC通常为+10至+20ppm/K,因为它的热膨胀系数比氧化铝的热膨胀系数大,所以当两者均衡受热时,氧化铝层会通过粘结剂层抑制金属箔的热膨胀进而产生一个逆向的负TC量。如果箔被单独加热,它的机械扩张效应相对于氧化铝的无扩张将会更剧烈, 产生一个过大的逆向TC。当电阻耗散功率时会出现上述现象:金属箔的温度上升多于基底的温度上升因而被“过度抑制“,产生阻值减小的现象。如果箔相对基底的热阻为     (K/W),阻值变化就可以被预测, 设耗散功率为P,有:


∆R/R = -TCfoil • θfs • P   或   PC • P   (ppm)


对于0TC电阻,之所以有" -TCfoil"正是因为基底 的抑制效应。


因此这里有三个主要因素: 环境温度引起的阻值变化 (TC),金属箔的P • θa  • TC 自热效应和新的“真实”电阻功率系数(PC = -TCfoil • θfs)或芯片/载体梯度引起的变化,即0TC电阻的PC。实际中,当工厂没有特殊说明PC类型时,默认包含了自热:

WCR = (TC • θa) + (-TCfoil • θfs),   (ppm/Watt)


需要注意的是,由于多种单独因素的作用,上述等式可能为零。所以并不适用于我们的研究。


过渡时间和稳定性的影响


已证实,在稳定功率条件下,箔与基底之间的应力不同于无功耗时两者间的应力,并且和由环境温度变化引起的应力也大不相同。这也证明了在测量过程中,应力效应部分取决于时间,产生的“类似记忆”长期过渡拖尾和长期复现可假定为引入的应力在缓慢松弛。这可能要花费数分钟至数天,对最高精度水平具有重大的意义。


测量设备


在CERN中主要使用两种方法来测量阻值和阻值变化。 两种方法均由电脑控制,实现了全自动化测量。


第一种方法是基于电桥, 带有一个100A 6011扩展器 的MIL 6010B,它依赖于控制温度用油浸中的校准标准电阻。其精度和分辨率为亚ppm级别。


第二种方法是基于CERN DCCT加速器(CDC) [3],它会产生一个高达10A的24-bit可编程直流电流,且精度 <1ppm。此外还带有一个Agilent 3458 DVM。


LHC产品的结果


负载阻值10Ω, 100mW (120A LHC DCCT)


很快可以观察到过渡行为和漂移问题,几个电阻值也可测得,与此同时循环改变功率和温度以证明人为老化是否可以提升性能。结果并不一致说明这是不可测行为, 见图3。


厂商将原有电阻替换成了另一不同型号的电阻,新型电阻数天后的稳定性得到了认可,但30min稳定性标准 (<10 ppm) 的结果是>10% 的不合格,见图4。起初的漂移量产生于功率系数,而5-10min的漂移量产生于自 热效应。



因为若将差电阻更换到 PCB 板上,检测将非常费时, 所以在安装前,我们通过测量自热和 PC引起的误差对电阻进行筛选。图5 展示了两个参数间有趣的相关性。 根据具体应用,厂商可能实现两者间不同的最优配置。 实验结果基于 Alpha 和 Vishay 提供的超过 700个电阻。



负载阻值1Ω, 250 mW (600A LHC DCCT)


这款1Ω的负载电阻由Vishay专为 LHC研发,未上线样品的实验结果如图6和图7所示。


从这少量样品(20)中我们看不到TC和PC间有明显的相关性。长期漂移量约为10ppm/年并且有可能随时间减少。因为对完整的 DCCTs 的测试结果令人满意,所以我们不再对这些电阻作进一步的接收测试。



小结


电阻参数表中很少会给出各式各样的功耗性能, 但功耗是实现高精确度必须考虑的因素之一。


当环境温度变化时,电阻的 TC 会直接影响电阻的稳定性和精度,并且很容易测量, 现在的 芯片 电阻的TC 可以优于1ppm/K 。


由内部功耗引起的电阻的自热效应会遵从 TC 值 产 生一阻值变化量,但我们可以通过降低每个电 阻的耗散量来任意减小这种变化。


自热效应是随 时间呈非线性变化的,可通过安装方法、冷却等 进行控制。


PC 效应则不同于自热,几乎是瞬时发生。它与 时间无关,例如它具有复现性、非线性。对大多数加速器而言,非线性是可接受的,这是由于 复现性比绝对精度更为重要。Vishay 现正定义一  类PC 参数,但它包含了自热效应。


负载电阻根据不同的工作条件,在数天至数周后, 会有几十ppm 的低漂移量。这种效应可能是由于 温度波动引起树脂涂层产生了少量的应力变化。


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