地質發射機恒壓鉗位快速關斷電路的設計*

楊 淼 沈運先 王 衡 李 縱

(中國船舶重工集團公司第七二二研究所 武漢 430079)

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地質發射機恒壓鉗位快速關斷電路的設計*

楊 淼 沈運先 王 衡 李 縱

(中國船舶重工集團公司第七二二研究所 武漢 430079)

由于地質發射機采用雙極性矩形電流脈沖,其電流下降沿特性直接影響發射機的性能,為改善發射機輸出電流脈沖下降沿特性,提出一種恒壓鉗位快速關斷電路拓撲。建立了電路參數優化模型,運用Saber對電路進行了計算和仿真分析。仿真與實驗結果表明,該設計電路降低了關斷電流下降時間,提高了下降沿線性度。

恒壓鉗位; 快速關斷電路; 下降沿

Class Number TP273

1 引言

近年來隨著電磁探測技術的不斷發展,其適用范圍越來越廣,在礦產資源勘探、地下水和地熱勘探、石油勘探、城市地下管線監測等方面發揮越來越重要的作用[1]。時間域電磁法或稱瞬變電磁法,是一種根據電磁感應建立的時間域可控源電磁勘探方法,其基本原理是采用不接地環路向地下發射階躍波或其他脈沖電流,斷電時在地下產生渦流交變電磁場,然后利用接收線圈間接檢測地下介質體感應的二次電磁場,從而分析出地下介質體的特性[2～3]。

常規瞬變電磁法多采用雙極性矩形電流脈沖,發射電流脈沖的質量直接反映到地質體產生二次場信號的質量和數據處理[4～5]。而實際的發射電流脈沖波形受電子開關速度、驅動信號延時和器件噪聲的影響,發射電流下降沿需要經過一定的時間才能衰減為零,對探測造成不利影響[6]。

利用開關管高壓時關斷快,低壓時關斷慢的特性,論文提出了一種恒壓鉗位電路,該電路使得開關管兩端電壓保持為恒定值,提高開關管的關斷時間,從而提高下降沿線性度。

2 恒壓鉗位快速關斷的原理

恒壓鉗位快速關斷電路結構如圖1所示。在負載兩端接入鉗位電路,將負載兩端電壓鉗位到鉗位電壓源電壓。

圖1 恒壓鉗位快速關斷電路結構圖

對于大電感負載,如果忽略負載電阻R,由u(t)=Ldi(t)/dt可知,要想保持電流線性下降,就需使得u(t)在下降沿期間恒定。根據該思想,理想的負載電流、電壓波形如圖2所示。

圖2 理想負載電流、電壓波形

在理想情況下,關斷電流下降時間:

(1)

在實際工作中,有時脈沖電流沒有達到穩態,因此可以用I0表示關斷時刻的最大值,即發射電流,因此式(1)改寫為

(2)

從式(2)可以看出,關斷電流下降時間與母線電壓有關,關斷電流下降時間隨母線電壓的升高而減小,低壓供電時,tc明顯增大。

因此如果可以在開關關斷時將負載電壓鉗位到新的電壓源電壓上,那么電流下降沿的陡度就由新的電壓源電壓確定,將這一給定的新的電壓源稱為鉗位電壓源。通過調整鉗位電壓源電壓,可以達到調整電流下降沿的目的[7～8]。

3 恒壓鉗位快速關斷電路的設計

恒壓鉗位快速關斷電路的設計電路見圖3。U為電源電壓,二極管D6、D7構成鉗位電路,電容C1為可調鉗位電壓源,開關T5、電阻R1構成恒壓電路,稱此電路為恒壓鉗位電流源。

在t0-t1時間段,主橋臂開關T1、T4導通,負載通以正向電流。在t1-t2時間段,T1、T4截止時,負載能量通過負載RL、鉗位二極管D7、電容C1和開關T2的寄生二極管D2形成的回路轉移到C1中,負載的電壓被鉗位到了電容電壓UC1。UC1電壓由參考電壓Uref決定,使得負載電壓在電流下降期間為一定值Uref,也就使得負載電流下降沿呈線性。在t3-t4時間段,T2與T3導通,負載通以反向電流,電流上升下降沿呈指數規律。在t4-t5時間段,T2、T3截止時,負載電阻RL、鉗位二極管D6、電容C1、D4形成續流通路,負載電壓同樣被鉗位到電容C1的電壓。

圖3 恒壓鉗位快速關斷電路

uC1(t)的穩壓值uC1由參考電壓設定。當uC1Uref,T5導通,C1放電,一部分能量由R1消耗,另一部分反饋到電源。T5采用滯環控制。系統電壓應力等于uC1,通過設定適當的Uref,可以使系統更安全穩定地工作。

當i0(t)衰減至零后,負載能量應全部轉移至C1中,為保證系統安全,應滿足

max(uC1)

(3)

式中,UT為電子開關額定耐壓。

(4)

C1應滿足

(5)

為使穩壓效果更好,C1取值應更大。但C1過大,會使上電變慢,影響開機的動態性能[6]。

R1取值,應使得回饋電流小于開關管J5額定電流IT5

(6)

電流脈沖下降沿表達式[9～10]

(7)

令上式為零,得關斷電流下降時間

(8)

從式(8)看出,通過調節Uref,可以調節電流下降沿的斜率。Uref增大,t減小。如果令Uref=UT,電流以最大斜率下降,得到電路最小關斷電流下降時間。

4 恒壓鉗位快速關斷電路的仿真與實驗

采用Saber仿真軟件進行電路仿真。選擇最大耐壓1200V,最大電流300A的英飛凌IGBT模塊。設置電路參數U=50V,L=1.6mH,RL=2Ω,C1=200μF,Uref=600V。設置仿真參數End Time=1s,Time Step=100n,Target Iteration=30。分別對原電路與圖3所示的恒壓鉗位電路進行仿真,得到電流下降沿分別如圖4中I1和I2所示。圖5為恒壓鉗位快速關斷電路實測結果。

圖4 脈沖電流下降沿波形圖

從仿真與實測結果可以看出,恒壓鉗位快速關斷電路電流下降沿延時大約為144.68μs,較原逆變電路電流脈沖下降沿224μs提高大約80μs,且下降沿線性度較原逆變電路更高。仿真和實驗結果與理論計算相符合,表明了恒壓鉗位快速關斷電路設計的正確性與實用性。

5 結語

地質發射機是利用不接地回線或接地線源向地下發射一次脈沖磁場,通過觀測在地下介質體感生出的二次場變化來探測地下金屬礦物的,因此發射雙極性脈沖電流下降沿的好壞直接關系到探測的精度,本文利用Saber仿真軟件設計了一種恒壓鉗位快速關斷電路,能將負載電壓鉗位到新電壓源電壓,從而提高關斷電流下降時間。實驗結果表明,該電路有效提升了電流下降沿線性度,減小了關斷電流下降時間,提高了系統探測精度。該電路設計簡單,實用性強,具有較大的應用價值。

[1] 賴崇杰.大功率雙極性陡脈沖電流源的研究[D].重慶:重慶大學,2013.

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[3] 趙海濤,劉麗華,吳凱,等.恒壓鉗位高速關斷瞬變電磁發射系統[J].儀器儀表學報,2013(4):803-808.

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[6] 范亮,錢榮毅.瞬變電磁法在煤礦采空區的應用研究[J].工程地球物理學報,2011(1):29-33.

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[10] 李俊唐.梯形脈沖瞬變電磁發射機[J].電測與儀表,2012(2):72-75.

Design of a Voltage Stabilized Clamping and Fast Turn-off Circuit of Geology Transmitting System

YANG Miao SHEN Yunxian WANG Heng LI Zong

(No. 722 Research & Development Insitute of CSIC, Wuhan 430079)

Geology transmitter adopts bipolar rectangular current pulse, so current falling-edge directly affects transmitter performance. In order to improve the characteristic of the falling-edge linearity of the transmitting system, this paper proposes a voltage stabilized clamping and fast turn-off topology, and establishes a circuit parameter optimization model. Saber is used to conduct simulation and calculation analysis for a circuit. Simulation and test result verify that this circuit could reduce the turn-off delay time, improve the falling-edge linearity.

voltage stabilized clamping, fast turn-off, falling-edge

2015年2月4日,

2015年3月17日

楊淼,男,碩士研究生,研究方向:低頻通信技術。沈運先,男,研究員,研究方向:低頻通信技術及大功率發信機。王衡,男,助理工程師,研究方向:低頻通信技術。李縱,男,助理工程師,研究方向:低頻通信技術。

TP273

10.3969/j.issn1672-9730.2015.08.044