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(zhì)發(fā)射機恒壓鉗位快速關(guān)斷電路的設(shè)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(zhì)發(fā)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(fā)射機的性能,為改善發(fā)射機輸出電流脈沖下降沿特性,提出一種恒壓鉗位快速關(guān)斷電路拓撲。建立了電路參數(shù)優(yōu)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(jié)果表明,該設(shè)計電路降低了關(guān)斷電流下降時間,提高了下降沿線性度。

恒壓鉗位; 快速關(guān)斷電路; 下降沿

Class Number TP273

1 引言

近年來隨著電磁探測技術(shù)的不斷發(fā)展,其適用范圍越來越廣,在礦產(chǎn)資源勘探、地下水和地?zé)峥碧健⑹涂碧?、城市地下管線監(jiān)測等方面發(fā)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(jù)電磁感應(yīng)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(huán)路向地下發(fā)射階躍波或其他脈沖電流,斷電時在地下產(chǎn)生渦流交變電磁場,然后利用接收線圈間接檢測地下介質(zhì)體感應(yīng)的二次電磁場,從而分析出地下介質(zhì)體的特性[2～3]。

常規(guī)瞬變電磁法多采用雙極性矩形電流脈沖,發(fā)射電流脈沖的質(zhì)量直接反映到地質(zhì)體產(chǎn)生二次場信號的質(zhì)量和數(shù)據(jù)處理[4～5]。而實際的發(fā)射電流脈沖波形受電子開關(guān)速度、驅(qū)動信號延時和器件噪聲的影響,發(fā)射電流下降沿需要經(jīng)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(guān)管高壓時關(guān)斷快,低壓時關(guān)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(guān)管兩端電壓保持為恒定值,提高開關(guān)管的關(guān)斷時間,從而提高下降沿線性度。

2 恒壓鉗位快速關(guān)斷的原理

恒壓鉗位快速關(guān)斷電路結(jié)構(gòu)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(guān)斷電路結(jié)構(gòu)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(jù)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(guān)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(wěn)態(tài),因此可以用I0表示關(guān)斷時刻的最大值,即發(fā)射電流,因此式(1)改寫為

(2)

從式(2)可以看出,關(guān)斷電流下降時間與母線電壓有關(guān),關(guān)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(guān)關(guān)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(diào)整鉗位電壓源電壓,可以達到調(diào)整電流下降沿的目的[7～8]。

3 恒壓鉗位快速關(guān)斷電路的設(shè)計

恒壓鉗位快速關(guān)斷電路的設(shè)計電路見圖3。U為電源電壓,二極管D6、D7構(gòu)成鉗位電路,電容C1為可調(diào)鉗位電壓源,開關(guān)T5、電阻R1構(gòu)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(guān)T1、T4導(dǎo)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(guān)T2的寄生二極管D2形成的回路轉(zhuǎn)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(dǎo)通,負載通以反向電流,電流上升下降沿呈指數(shù)規(guī)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(xù)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(guān)斷電路

uC1(t)的穩(wěn)壓值uC1由參考電壓設(shè)定。當uC1Uref,T5導(dǎo)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(huán)控制。系統(tǒng)電壓應(yīng)力等于uC1,通過設(shè)定適當?shù)腢ref,可以使系統(tǒng)更安全穩(wěn)定地工作。

當i0(t)衰減至零后,負載能量應(yīng)全部轉(zhuǎn)移至C1中,為保證系統(tǒng)安全,應(yīng)滿足

max(uC1)

(3)

式中,UT為電子開關(guān)額定耐壓。

(4)

C1應(yīng)滿足

(5)

為使穩(wěn)壓效果更好,C1取值應(yīng)更大。但C1過大,會使上電變慢,影響開機的動態(tài)性能[6]。

R1取值,應(yīng)使得回饋電流小于開關(guān)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(guān)斷電流下降時間

(8)

從式(8)看出,通過調(diào)節(jié)Uref,可以調(diào)節(jié)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(guān)斷電流下降時間。

4 恒壓鉗位快速關(guān)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(shè)置電路參數(shù)U=50V,L=1.6mH,RL=2Ω,C1=200μF,Uref=600V。設(shè)置仿真參數(shù)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(guān)斷電路實測結(jié)果。

圖4 脈沖電流下降沿波形圖

從仿真與實測結(jié)果可以看出,恒壓鉗位快速關(guān)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(jié)果與理論計算相符合,表明了恒壓鉗位快速關(guān)斷電路設(shè)計的正確性與實用性。

5 結(jié)語

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

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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(shù)。沈運先,男,研究員,研究方向:低頻通信技術(shù)及大功率發(fā)信機。王衡,男,助理工程師,研究方向:低頻通信技術(shù)。李縱,男,助理工程師,研究方向:低頻通信技術(shù)。

TP273

10.3969/j.issn1672-9730.2015.08.044