1、引言

快速发展的新能源电动汽车、高铁动车、智能电网以及目前大量使用的交直流电源系统中都需要对数十安培到数百安培的直流大电流进行测量，以实现系统的实时监测、检测或控制，要求测量精度达到10^-4 ~10^-5 量级。新能源电动汽车直流充电桩校准装置要求对 600 A 以内的直流大电流测量精度优于10^-5量级，以保证合理计费。超导强磁场系统需要稳定度达到 10^-6 量级的直流恒流源。欧洲核子研究中心（ European Organization for Nuclear Research, CERN）的大型强子对撞机系统中，需要对 13 kA 的直流大电流精确测量到 2×10^-6 量级。

分流器法和磁通门法是实现精密大电流测量的主要方法。这两种测量方法中，磁通门电流传感器可以实现1ppm级的超高准确度电流测量。

2、分流器法

分流器法测量直流电流的理论依据是欧姆定律。实际测量中，分流器串联在被测回路中，通过使用高分辨率数字万用表测量分流器两端电压，然后利用欧姆定律即可求得被测电流。大电流分流器的阻值通常较小，为了消除引线电阻和接触电阻带来的测量误差，实际分流器通常做成四端电阻形式。

国内赛宝计量的P4000系列，准确度为0.01级，年稳定性50ppm。

加拿大Guildline 公司研制的 9230A 系列计量级直流分流器在 10A~5kA 范围内测量精度达到 1×10^-4量级，稳定性达到 1×10^-5 量级。

图1 赛宝计量的P4000系列及Guildline的9230A 系列

亿万28科技的直流电源产品均采用低温漂高精度分流器对输出直流电流进行采样，因此具有良好的电流稳定度和较高的电流精度。

3、磁通门法

磁通门电流传感器可以达到更高的测量准确度，且为隔离型测量。欧洲核子研究中心CERN推动了磁通门法用于现场精密测量直流大电流。

最简单的单磁芯磁调制器的基本原理如图2所示。图中，C为高磁导率材料制成的非线性磁芯；W₁、W₂和W_D分别为激磁绕组、信号绕组和检测绕组。交变对称的激励源u_ex 激励非线性磁芯C至饱和，由于磁化曲线的对称非线性，检测绕组 W_D 上的感应电压波形对称，感应电压频谱中只有奇次谐波。若在信号绕组中通入一个微小直流信号I_D，则磁芯 C中将产生一个直流偏置磁场，从而破坏激磁磁通的对称性，导致检测绕组 W_D 上的感应电压波形发生畸变，从而产生与直流信号成比例的偶次谐波。因此，通过检测偶次谐波或即可实现对微小直流信号的检测。

图2 单磁芯磁调制器

实际应用中通常采用如图3所示的双磁芯磁调制器。图中，T 为高频信号变压器；C₁ 和 C₂ 是由高磁导率材料制成的完全相同的非线性磁芯；W₁ 和 W₂ 匝数相同，分别为 C₁ 和 C₂ 的激磁绕组。若两个激磁绕组 W₁ 和 W₂ 上的激磁信号任意时刻幅值相等而相位相反，则输出信号 u_ab 中的奇次谐波相互抵消而偶次谐波彼此相加。因此双磁芯磁调制器的灵敏度是单磁芯磁调制器的两倍，且理论上输出信号中不产生奇次谐波。

图3 双磁芯磁调制器

参考文献[2]介绍了如图4所示的磁通门传感器原理和主要波形。该传感器可实现对微安级离子束电流的非接触准确测量。直流电流的测量通过两个环形软磁磁芯实现，待测电流穿过两个磁芯。在初级侧使用了反向绕制的调制线圈，其中正弦调制电流在每个磁芯中感应出方向相反的调制磁通， 周期性地将两个磁芯沿相反方向驱动至饱和状态。同时，待测直流电流在两个磁芯中引入一个单方向的磁通，导致其中一个磁芯比另一个磁芯保持饱和的时间更长。磁芯所携带的所有相关磁信号如图4所示。环形磁芯内磁通量的变化会在次级解调线圈中感应出电压信号。因此，来自离子束的单向磁通会使这些信号在时间上发生偏移。理想情况下，在没有离子电流时，这些信号之间的差值为零。比例积分（PI）控制器调节补偿电流，使差值信号维持在这个零点工作点。

补偿电流的完整控制环路工作原理如下：首先通过快速傅里叶变换，选出差值信号的8次谐波，将其相位与工作点相位进行比较。由磁芯中净电流引起的参考相位与实际相位之间的控制偏差，输入到 PI 控制器，该控制器的输出被转换为新的补偿电流。新的补偿电流减去工作点补偿电流，即代表待测电流的测量值。

图4 一种直流电流传感器的原理图和主要波形

国内的银河电气、瑞士的LEM、丹麦的Danisense均生产高精度磁通门传感器，且能达到1ppm的超高准确度。图5为LEM的IT系列工作原理示意图。

图5为LEM的IT系列工作原理示意图

图6 银河电气CS系列磁通门电流传感器

亿万28科技多个系列的大电流直流电源（IPX-T、IPX-S 等系列）采用银河电气10ppm级高精度磁通门电流传感器进行校准，因此具有良好的电流准确度，能更好满足高精度电流输出的应用需求。图6为银河电气的CS系列电流传感器。

参考文献：

[1]王农，精密测量直流大电流的自激振荡磁通门法研究[D], 哈尔滨工业大学，2016

[2] Luca Henrich , Daniel Becker, Max Sach, Jochen Frey and Chris Volkmar, Adapting Direct-Current Current Transformers for contactless ion beam measurements of electric propulsion systems, Journal of Electric Propulsion, (2025) 4:5.

[3]//guildline.com/primary-electrical-metrology/resistance-standards/dc-high-current-and-power-resistance-standards/9230a-series-of-dc-current-shunts

[4] //www.ceprei.com/contents/276/16881.html

[5] //www.vfe.ac.cn/ProductShow.aspx?id=63

[6] //www.lem.com/en/fluxgate-current-sensors

[7]//danisense.com/products/

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