快响应磁芯式Rogowski线圈

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1、万方数据第22卷第8期2010年8月强激光与粒子束HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSV01．22，No．8Aug．，2010文章编号：1001—4322(2010)08—1954。05快响应磁芯式Rogowski线圈’张瑜，刘金亮，白国强，梁波，冯加怀(国防科学技术大学光电科学与工程学院，长沙410073)摘要：为减小线圈响应时间，提高脉冲大电流信号的测量精度，设计了Ils级快脉冲响应的Rogowski线圈。根据电磁理论，给出了线圈关键参数的计算公式，并对其进行了工程制作。

2、通过引入50Q的阻尼电阻，消除信号电压波形前后沿处的高频寄生振荡。对Rogowski线圈的等效电路进行了Pspice电路模拟，验证了线圈的输出特性，与理论分析结果一致。用50ns和10ns方波脉冲分别对线圈进行定标，其响应时间分别为2．43和1．10us，灵敏度为3．34A／V。利用该线圈对高压ns脉冲发生器的负载电流进行测量，结果表明线圈能够较好地响应10ns，kA级脉冲大电流信号。关键词：Rogowski线圈f闭合磁芯；响应时间；灵敏度；脉冲大电流中图分类号：TM835．2文献标志码：Adoi：

3、10．3788／HPLPB20102208．1954Rogowski线圈是利用电流互感原理进行电流间接测量的装置[11]，具有制作简单、测量精度高、对rls级脉冲电流信号响应较快和使用方便等特点[1。4]，在脉冲功率装置中常用于测量脉冲大电流。Rogowski线圈按积分方式的不同，可分为自积分型和外积分型[I。]。对于外积分型[5。]，信号电阻输出微分信号，必须要外带积分器将微分信号还原。而自积分型只需要线圈自感和信号电阻的取值满足自积分条件[1q]，输出的电压信号就是真实信号，不需要外带积分器还原

4、。自积分式线圈设计更为简单，还避免了积分器自身对线圈信号电压的畸变等不利影响。自积分式线圈芯架一般为非磁性材料[1吒]，响应时间一般为几as至几十ns，若要满足自积分条件，保证测量信号不至于太微弱，势必要通过增加线圈绕线匝数来增大绕线自感。但这将使绕线过密，绕线匝间电容与绕线对地电容明显增大，最终会在测量信号中引入较大幅度的高频寄生振荡，使测量波形变差。同时，由于匝数增加使绕线的总长度变长，感应电流流过线圈的时间增加，不利于缩短线圈响应时间和提高响应能力[1]。针对非磁芯式线圈的缺陷，本文研制了一种

5、闭合磁芯式Rogowski线圈，并成功应用于高压ns脉冲发生器负载电流的测量。1结构设计及等效电路磁芯式Rogowski线圈结构如图1所示，线圈芯架内部的闭合磁环采用高频铁氧体材料，相对磁导率∥，约为2000，饱和磁感应强度B。为0．38T，高频响应能力在50MHz以上。磁环横截面为矩形，磁芯外部紧裹绝缘膜制成的芯架，线圈绕线均匀紧绕在芯架上。信号电阻R。采用美国COD—DOCK公司生产的Mp-850型高频功率型无感电阻，焊接在线圈绕线末端。在线圈绕线上均匀焊接20个阻值均为1k12的金属膜电阻，作

6、为阻尼电阻R。，与信号电阻并联，以抑制信．一咖一．【nSⅢaW一1■■l●创l—I～¨LⅡ习争。．d●1。●．△d士．AFig．1StructureofRogowskicoilwithmagneticcore图1磁芯式Rogowski结构图号电压中的高频寄生振荡[1]。整个线圈置于开缝的金属屏蔽壳内部，信号电压由Q。接头引出。在实际的Rogowski线圈中，对地电容Co、线圈绕组匝间电容C，、信号电阻寄生电感Ln等参数为分布参数。直接对分布参数电路进行分析非常困难，且得不到有意义的结论，可以按照文献

7、E4]的方法，用等效的集总参数去替代分布参数，得到近似度较高的集总参数等效电路，这样可大大简化计算，准确反映线圈内在规律。设线圈绕线电阻为R。，与线圈绕线电感Lo串联，绕线匝间电容C。与L。支路是并联关系，信号电阻R。与其寄生电感Ln串联，再与线圈对地电容co并联。线圈等效集总参数电路如图2所示。-收稿日期：2009一10—19；修订日期：2010—03—16基金项目：国家高技术发展计划项目；国家自然科学基金项目(10675168)作者简介：张瑜(1984--)，男，博士研究生，从事脉冲功率技术及应

8、用研究}zyu841227(鸯yahoo．corn．ca。万方数据第8期张瑜等：快响应磁芯式Rogowski线圈2电参数理论计算2．1线圈绕组匝间等效电容由于相邻的两匝绕线之间距离较近，电容效应较明显，而非相邻线匝之间距离很远，电容效应可忽略。为便于分析，采用估算方法，用一个并联于相邻两匝绕线的集中参数电容C，i来代替邻匝间分布电容，即CDI=￡。(拳。一声i+2H)d1／Adl(1)f《f)Fig．2Equivalentcircuitoflumpedf。(f)l式中