趙 翔，錢文圣，亓慶新

（1.中南大學(xué) 地球科學(xué)與信息物理學(xué)院，湖南 長沙 410000；2.湖南五維地質(zhì)科技有限公司，湖南 長沙 410000）

瞬變電磁法（Transient Electromagnetic Method）簡稱TEM，它是基于電磁感應(yīng)原理，在連續(xù)的電磁場對非接地回路的激勵下，產(chǎn)生感應(yīng)磁場（通常稱為一次場），而不同的地下介質(zhì)在一次場的激勵下回產(chǎn)生不同的隨時間變化的感應(yīng)電磁場（通常稱為二次場）（牛之璉，2007, 樸化榮,1990）[1]。通過接收線圈或者接地電極來接收觀察二次場信息，經(jīng)數(shù)據(jù)處理之后可以達到探測地下地質(zhì)結(jié)構(gòu)的目的（Nabighian and Macnae,1991）[2]。而瞬變電磁法由于對低阻敏感、操作簡便、分辨率高被廣泛應(yīng)用與探測礦產(chǎn)資源、水文地質(zhì)、地質(zhì)災(zāi)害中。大功率瞬變電磁發(fā)射機能夠提升瞬變電磁法探測深度，但是電流上升隨之電流關(guān)斷時間也會加長，而瞬變電磁發(fā)射機電流關(guān)斷時間直接影響了淺層探測精度，是研制瞬變電磁發(fā)射機的關(guān)鍵技術(shù)，所以必須要考慮如何能使瞬變電磁發(fā)射機電流增大而關(guān)斷時間要短這一問題[3]。為解決這一問題，本文從各個不同的吸收回路出發(fā)，仿真模擬各個吸收回路的關(guān)斷波形，得到各個吸收回路的優(yōu)劣勢，繼而從中選擇最佳吸收回路放電阻止型RCD吸收回路，并進行大量實驗進行對比，最終成功研制出大功率瞬變電磁發(fā)射機，且經(jīng)過實際測量，完全滿足大功率瞬變電磁發(fā)射機的需求。

1 瞬變電磁發(fā)射機工作原理

以雙極性方波為例，瞬變電磁發(fā)射機一般采用全橋電路，如圖1所示，從圖中可以看出全橋電路主要由MOS管（K1、K2、K3、K4），二極管（D1、D2、D3、D4、D5），發(fā)射線圈（L），電源（U），二極管（D1、D2、D3、D4、D5），PWM波形（U1、U2、U3、U4），線圈內(nèi)阻（RL）組成。其中MOS管起著開關(guān)作用，二極管D2、D3、D4、D5為防止MOS管因反向電壓過大而損壞的寄生二極管，二極管D1起著避免電源U反接與反向脈沖電壓倒涌而損壞電源作用，發(fā)射線圈由于是感性負載，用電感L表示，電阻RL是發(fā)射線圈內(nèi)阻，D1、D2、D3、D4為控制MOS閉合與斷開的PWM波形[4]。

圖1 瞬變電磁發(fā)射全橋電路

工 作 時，閉 合K1、K4，斷 開K2、K3，電 流 方 向 為，由于發(fā)射線圈L為感性負載，電流呈指數(shù)形式上升，一段時間后電流達到穩(wěn)定，而后斷開K1、K4，發(fā)射線圈釋放自身儲存的能量，電流緩慢下降，一段時間后電流為0，這樣便可得到正向方波。再閉合K2、K3，斷開K1、K4，重復(fù)上述過程，得到反向方波[5]。

取L=3mH，RL=1Ω，U=12V進行仿真，其下降沿仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 全橋電路仿真關(guān)斷時間圖

從圖2中可以看到不加任何吸收回路的全橋電路關(guān)斷時間長，達到了1mS，且尾部產(chǎn)生震蕩現(xiàn)象，這并不能滿足瞬變電磁發(fā)射機的基本要求，要解決這一問題，就必須要加入吸收回路。

2 Multisim對吸收回路的建模和研究

常見的瞬變電磁發(fā)射機吸收回路有準諧振關(guān)斷電路，RCD吸收回路，TVS關(guān)斷電路等等。準諧振關(guān)斷電路是在吸收回路上再加入兩個MOS管，當電流下降時，吸收回路上的MOS閉合，關(guān)斷完畢后MOS斷開，將發(fā)射線圈自身能量主動的引入引出吸收回路，從而達到快速關(guān)斷的目的，此種方法的好處是關(guān)斷時間短，關(guān)斷之后并不會有其他能量再次涌入發(fā)射線圈產(chǎn)生震蕩[6]。而RCD吸收回路由于成本低，關(guān)斷時間短，關(guān)斷線性好被廣泛應(yīng)用于瞬變電磁發(fā)射機中，一般在常用在瞬變電磁發(fā)射機中的RCD吸收回路分為兩種：充放電型RCD吸收回路與放電阻止型RCD吸收回路，這兩種吸收回路均為將發(fā)射線圈中能量引入電容中，再通過電阻進行消耗以達到快速關(guān)斷的目的。TVS關(guān)斷電路是依靠TVS二極管對線圈兩端電壓鉗位到某一特定電壓值，從而達到快速關(guān)斷的目的，但是目前市面上TVS二極管功率小，并不能滿足大功率瞬變電磁發(fā)射機的要求，所以本文不做過多分析。

為了研究這幾種吸收回路的具體效果，本章采用Multisim軟件進行仿真模擬，比較不同吸收回路電流下降沿的優(yōu)劣勢，找出最適合大功率瞬變電磁發(fā)射機的吸收回路。

2.1 充放電型RCD吸收回路

充放電型吸收回路的主電路如圖3所示，該電路主要由電阻R1、R2、R3、R4，電容C1、C2、C3、C4,二極管D1、D2、D3、D4組成，其他元器件組成全橋電路。

圖3 充放電型吸收回路

當電流降為0時，由于電容兩端電壓不能突變，電感上電流不能突變，此時電容C1、C4放電，此時等效為二階零響應(yīng)電路。在此階段，電流震蕩放電。

逆向階段與上述過程基本一致，在此不做過多分析。

取電容C1、C2、C3、C4的電容值為0.1uF，電阻R1、R2、R3、R4的電阻值為100Ω，L=3mH，U=12V，RL=1Ω進行仿真，電流下降沿仿真圖如圖4所示。

圖4 充放電型吸收回路下降沿仿真圖

從仿真圖中可以看出充放電型吸收回路下降沿關(guān)斷時間為0.6 mS，與不加任何吸收回路下降沿關(guān)斷時間（1mS）相比，明顯縮短，關(guān)斷線性好，但是在尾端出現(xiàn)震蕩現(xiàn)象。

2.2 放電阻止型RCD吸收回路

放電阻止型吸收回路的主電路如圖5所示，該吸收電路適合大功率電路，特點是過電壓抑制效果好，損耗低，關(guān)斷時間短且線性度好。該電路主要由電阻R1、R2、R3、R4，電容C1、C2、C3、C4,二極管D1、D2、D3、D4組成，其他元器件組成全橋電路。

圖5 放電阻止型RCD吸收回路

達到平穩(wěn)狀態(tài)一段時間后，斷開K1、K4，此時發(fā)射線圈L釋放自身存儲的能量，此時電容C1、C2、C3、C4均在充電，二極管D2、D3因電壓反偏而截至，而MOS管K2、K3兩端的反向二極管DK2、DK3開始導(dǎo)通使得R2、R3被短路。電流有4條，分別為：?,?,?,?,由于電容C2、C3充電時有串聯(lián)電阻，故電容C1、C4充電速度大于電容、充電速度，當發(fā)射線圈兩端電壓等于電容C1、C4兩端電壓時，電流降為0。

當 電 容C1、C4兩 端 電 壓 大 于2倍 的 電 容C2、C3兩端 電 壓 時，電 容C1、C4放 電，電 容C2、C3充 電，此 時電流有兩條：分別為?,?,此時電流會產(chǎn)生震蕩現(xiàn)象，當電容C1、C4兩端電壓小于等于2倍的電容C2、C3兩端電壓時進入下一階段。

電容電流降為0之后，當電容C1、C4兩端電壓小于等于2倍的電容C2、C3兩端電壓時，由于二極管D1、D2、D3、D4、的存在，導(dǎo)致電容的能量并不能回饋給發(fā)射線圈，只能由4個電阻所消耗。

取電容C1、C2、C3、C4的電容值為0.1uF，電阻R1、R2、R3、R4的電阻值為100Ω，L=3mH，U=12V，RL=1Ω進行仿真，電流下降沿仿真圖如圖6所示。

圖6 放電阻止型吸收回路下降沿仿真圖

從圖中可以看出，關(guān)斷時間僅約為0.53 mS，關(guān)斷時間大大降低，且尾端并無震蕩現(xiàn)象，但是在電流下降沿前期關(guān)斷線性不好。

2.3 準諧振關(guān)斷電路

充放電型吸收回路的主電路如圖7所示，該電路主要由電阻R1，電容C1,二極管D1、D4，MOS管K5、K6與MOS管的寄生二極管D5、D6組成，其他元器件組成全橋電路。

圖7 準諧振關(guān)斷電路

工作時，首先閉合K1、K4，斷開K2、K3、K4、K5，此時電流方向為?, 由于發(fā)射線圈是感性負載，此階段電流呈指數(shù)函數(shù)趨勢上升，一段時間后達到平穩(wěn)狀態(tài)，此時電流大小為：

達到平穩(wěn)狀態(tài)一段時間后，斷開K1、K4，閉合K5，發(fā)射線圈L釋放出自身能量，此時電流方向為電容C1處于充電狀態(tài)，當電容C1兩端電壓與發(fā)射線圈L兩端電壓相等時，電流降為0。

當電流降為0后，斷開K5，此時電容C1放電，C1、R1形成閉合回路，消耗電容能量[9]。

取電容C1電容值為0.1uF，電阻R1阻值為100Ω，電源U=12V,發(fā)射線圈電感L=3mH，發(fā)射線圈內(nèi)阻RL=1Ω進行仿真，電流下降沿仿真圖如圖8所示。

圖8 準諧振關(guān)斷電路電流下降沿仿真圖

從圖8中可以看到，準諧振關(guān)斷電路的關(guān)斷時間約為0.53mS，但是下降沿尾端出現(xiàn)震蕩，且下降沿前期線性很差，后期線性較好。

3 大功率瞬變電磁發(fā)射機的研制

通過上文中各個吸收回路的仿真實驗可以得出放電阻止型RCD吸收回路效果最好，擬采用放電阻止型RCD吸收回路來研制大功率瞬變電磁發(fā)射機。而通過上文分析其工作原理可知不同的電容電阻會影響其關(guān)斷時間與關(guān)斷波形，故取U=48V,L=5m，選取不同的電容電阻值進行實驗對比，對比結(jié)果如表1所示。

表1 不同電容電阻值與關(guān)斷時間表

從表中可以看出，當吸收回路上電阻值不變，隨著電容值的減小，電流關(guān)斷時間隨之減小[10]，但是減小電容值時要特別注意電容的耐壓值；當吸收回路上電容值不變時，隨著電阻值的增大，關(guān)斷時間呈先減小再增大的趨勢，這是由于在電阻值較小時，電流降為0時電容、兩端電壓小于等于2倍的電容、兩端電壓，并不進入震蕩階段，隨著電阻值的增大，消耗能量速度加快導(dǎo)致關(guān)斷時間的減小，而后增大是由于電流降為0時電容、兩端電壓大于2倍的電容、兩端電壓，此時進入震蕩階段，導(dǎo)致關(guān)斷時間的增大。從圖中可以看到最短關(guān)斷時間是348uS，此時電容值為470uF，電阻值為801Ω。

取吸收回路上電容值為470uF，電阻值為801Ω制作大功率發(fā)射機，使用100mΩ電阻作為檢流電阻用示波器進行觀測波形，得到示波器觀測波形如圖9所示。

圖9 大功率瞬變電磁發(fā)射機電流下降沿觀測圖

從圖中可以看到電流關(guān)斷時間約為360uS，且電流下降沿線性較好，能夠完全滿足瞬變電磁發(fā)射機的需求。

4 結(jié)論

本文介紹了大功率瞬變電磁發(fā)射機的研制過程。文章從各個不同的吸收回路出發(fā)，仿真模擬各個吸收回路的關(guān)斷波形，得到各個吸收回路的優(yōu)劣勢，繼而從中選擇最佳吸收回路放電阻止型RCD吸收回路，并進行大量實驗進行對比，最終成功研制出大功率瞬變電磁發(fā)射機，且經(jīng)過實際測量，完全滿足大功率瞬變電磁發(fā)射機的需求。