一種新型瞬變電磁發(fā)射機快速關斷電路設計

王廣君， 閔德順

(1.中國地質大學(武漢) 自動化學院， 湖北 武漢 430074；2.中國地質大學(武漢) 機械與電子信息學院， 湖北 武漢 430074)

?

一種新型瞬變電磁發(fā)射機快速關斷電路設計

王廣君1， 閔德順2

(1.中國地質大學(武漢) 自動化學院， 湖北 武漢 430074；2.中國地質大學(武漢) 機械與電子信息學院， 湖北 武漢 430074)

針對瞬變電磁發(fā)射機中發(fā)射線圈存在寄生電感導致發(fā)射電流關斷時間過長的問題，設計了一種新型快速關斷電路。在發(fā)射電流下降期間，該電路利用晶體管給發(fā)射線圈提供一條新的放電回路，利用該回路上電阻大、放電時間常數(shù)小的特點實現(xiàn)發(fā)射電流的快速關斷。仿真和實驗結果表明，該電路能夠有效地降低瞬變電磁發(fā)射機的關斷時間，且穩(wěn)定性好。

瞬變電磁發(fā)射機； 放電回路; 時間常數(shù)； 快速關斷

0 引言

隨著國民經濟的快速發(fā)展，國家對礦產資源、地下水、地質環(huán)境的探測越來越迫切，特別是在目前淺部資源枯竭的情況下，對深部隱蔽礦床的探測越發(fā)顯得尤為重要。瞬變電磁法(Transient Electromagnetic Method)是一種時間域的電磁探測方法，其原理是利用發(fā)射線圈向地下發(fā)射一次場，地下地質體在一次場的感應下會產生二次場信號，研究二次場信號隨時間變化的關系就可以得到地下地質體的物理特性[1-2]。瞬變電磁法具有場源靈活、穩(wěn)定高效、探測深度深等優(yōu)點。但是由于我國在瞬變電磁儀的研制上起步較晚，目前國內研制的瞬變電磁儀與國外商品化的儀器相比還有較大的差距，在瞬變電磁儀的使用場合，往往還是選擇國外進口的儀器，因此，研制我國具有自主知識產權的瞬變電磁儀具有比較深遠的戰(zhàn)略意義[3]。

瞬變電磁發(fā)射機的發(fā)射電流在瞬變電磁系統(tǒng)中起到了至關重要的作用。減小發(fā)射電流的關斷時間(從最大值下降到零所需的時間)，可以在一定程度上提高儀器測量的準確性[4]。為了盡可能地減小發(fā)射電流的關斷時間，參考文獻[5]提出了2種準諧振型電流陡脈沖整形電路。這2種電路利用諧振原理，在電路的參數(shù)選取比較適當?shù)臅r候，可以比較好地降低發(fā)射電流的下降時間，提高關斷能力。但是該電路的參數(shù)選取與線圈寄生電感量和發(fā)射電流大小有關。在多數(shù)情況下，線圈寄生電感量和發(fā)射電流大小都是不固定的，因而，這2種電路的性能不能發(fā)揮至最佳。

針對瞬變電磁發(fā)射機研究中的發(fā)射電流問題，本文提出了一種新型瞬變電磁發(fā)射機快速關斷電路。在發(fā)射電流下降沿期間，該電路利用晶體管的通斷將發(fā)射線圈接入一個特殊的放電回路，通過減小放電時間常數(shù)的方法加速發(fā)射電流的下降，減小關斷時間。仿真和實驗結果證明，該電路能極大地減小發(fā)射電流的關斷時間。

1 瞬變電磁發(fā)射機全橋電路

為了能夠在與發(fā)射機相連的負載線圈上得到雙極性矩形脈沖電流，瞬變電磁發(fā)射機常采用MOS管或者絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)構成的全橋電路，只要控制全橋電路中功率晶體管的驅動信號，即可在負載線圈上得到雙極性矩形脈沖電流。發(fā)射機全橋電路如圖1所示，雙極性脈沖電流的具體控制方法詳見參考文獻[6]。

圖1 發(fā)射機全橋電路

在圖1所示電路中，電感L和電阻RL表示發(fā)射線圈的寄生參數(shù)，二極管D1、電阻R1和電容C1構成瞬變電磁發(fā)射機常用的RCD吸收電路。根據(jù)參考文獻[7]可知，該電路的關斷時間為

(1)

式中：U1為電源電壓和二極管導通壓降之和；I0為關斷時刻發(fā)射線圈的電流大小，即發(fā)射電流。

由式(1)可知，RCD吸收電路的關斷時間與電源電壓有關系，電源電壓越高，關斷時間越短。由于瞬變電磁發(fā)射機的電源電壓一般都不會很高，所以，RCD吸收電路的關斷時間很長。取線圈參數(shù)L=1.2 mH,RL=0.5 Ω，在發(fā)射電流I0=10 A時，關斷時間約為1.3 ms。

2 新型快速關斷電路設計

瞬變電磁發(fā)射機發(fā)射電流的關斷過程可以等效成一個電感的放電過程。根據(jù)參考文獻[8]，電感在放電的過程中，其放電時間常數(shù)τ=L/R，其中，L為發(fā)射線圈的等效電感，R為放電回路的等效電阻。放電時間常數(shù)越小，電感中的能量消耗得越快，電流下降得越快。在τ=L/R中，L不可改變，因此，如果能夠增大電感放電回路中的等效電阻，即可減小其放電時間常數(shù)，加速電流的下降。

據(jù)此思想，本文設計了一種新型瞬變電磁發(fā)射機快速關斷電路，如圖2所示，發(fā)射線圈的供電過程可分為正向供電、正向停供電、反向供電、反向停供電。其中，在正向供電和反向供電時，Q5、Q6均是導通的，反向供電過程和正向供電過程類似，所以本文只介紹正向供電過程。

圖2 新型瞬變電磁發(fā)射機快速關斷電路

正向供電開始時刻，Q1、Q4、Q5、Q6導通，Q2、Q3截止，負載線圈中流過正向電流，電流流向為VCC→Q1→Q5→L→RL→Q6→Q4。由于晶體管導通電阻極小，電阻R3、R4被短路，所以，電阻R3、R4上電流很小，不會增加系統(tǒng)額外的損耗。

正向供電結束時刻，Q1、Q4、Q5、Q6同時截止。負載電感通過電阻R3和晶體管的寄生二極管與電源構成放電回路，放電過程中，電流的流向為L→RL→R3→Q2→VCC→Q3→Q5，如圖2中箭頭所示。由于電阻R3的值比較大，負載電感放電回路中的時間常數(shù)就會比較小，從而使負載電感中的電流快速下降，減小關斷時間。

3 理論分析

在負載線圈正向供電電流下降沿期間，負載電感放電回路的等效電路如圖3所示。

圖3 負載電感放電回路的等效電路

根據(jù)基爾霍夫定律，由圖3可列出電感的線性微分方程：

(2)

當t=0時，即關斷時，線圈上電流等于發(fā)射電流I0，由此可得電流i(t)的表達式為

(3)

令i(t)=0，可得關斷時間為

(4)

由式(4)可看出，在發(fā)射電流一定的情況下，本文提出的電路的關斷時間t與R3和電壓U有關，其中，U等于電源電壓和3個二極管導通壓降之和，在電源電壓固定的情況下，可以認為U值是不變的，因此，關斷時間僅與R3有關。根據(jù)式(4)可知，發(fā)射機的關斷時間隨R3的增大而變小。

為了與RCD吸收電路進行比較，在發(fā)射線圈參數(shù)和發(fā)射電流取值一樣的情況下，即L=1.2 mH,RL=0.5 Ω,I0=10 A，用Matlab繪出關斷時間t與R3的關系曲線，如圖4所示。

圖4 關斷時間t與R3的關系曲線

由圖4可看出，關斷時間隨著R3的增大有明顯的下降趨勢，理論上來說，R3取無窮大可以使關斷時間趨近于零。但是R3并不能無限大。一方面，t=0時，電阻兩端的電壓UR3=I0R3=VCCR3/RL，R3越大，其兩端的電壓就越大。由于電阻R3和晶體管Q5是并聯(lián)的，電壓過高可能會擊穿晶體管；另一方面，根據(jù)圖4可看出，雖然發(fā)射機的關斷時間會隨著R3的增大而減小，但是這種減小的趨勢隨著R3的增大越來越小，當R3大到一定程度之后，繼續(xù)增加R3幾乎不會減小關斷時間。因此，為了保證系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性，R3大小應有所限制。

4 仿真與實驗驗證

4.1 仿真結果

采用Matlab/Simulink仿真本文提出的電路，電路參數(shù)設置如下：L=1.2 mH,RL=0.5 Ω,I0=10 A，仿真結果如圖5所示。

圖5 電流波形仿真結果

由圖5可以看出，R3越大，發(fā)射機的關斷時間越短，且仿真結果和理論計算基本完全吻合。當R3=50 Ω時，關斷時間已經下降到100 μs左右，此時電阻兩端的電壓在關斷的一瞬間已經達到了500 V。

4.2 實驗結果

對RCD吸收電路和本文提出的快速關斷電路進行實驗驗證。參數(shù)設置如下：L=1.2 mH,RL=0.5 Ω,I0=10 A。實驗過程中，采用安捷倫示波器(DSO7052B， 500 MHz， 4 GSa/s)在線性電流傳感器(ACS712)上觀測發(fā)射電流波形。由于實驗中采用耐壓值為650 V的晶體管，故R3不能超過65 Ω，實際實驗過程中，R3=51 Ω。實驗結果如圖6所示。

在參數(shù)相同的情況下，由圖6(a)可以看出，RCD吸收電路的關斷時間約為1.3 ms，由圖6(b)可以看出，本文提出的快速關斷電路的關斷時間大約為100 μs。與RCD吸收電路相比，本文提出的快速關斷電路將發(fā)射電流的關斷時間減小到原來的1/10以下，且實驗結果與仿真結果一致。

(a) RCD吸收電路電流下降波形

(b) 快速關斷電路電流下降波形

5 結語

瞬變電磁發(fā)射機中發(fā)射線圈的寄生電感極大地減小了發(fā)射電流的下降速度，從而導致發(fā)射電流關斷時間過長。新型瞬變電磁發(fā)射機快速關斷電路利用電阻和晶體管減小電感放電時間常數(shù)，為瞬變電磁發(fā)射機的研制提供了一種較好的減小發(fā)射電流關斷時間的方案。電阻取值越大，發(fā)射電流的關斷時間越短，但是對晶體管的耐壓值要求也就越高。在實際應用中，應該根據(jù)發(fā)射電流的大小和晶體管的耐壓值合理選取電阻阻值。

[1] 薛國強，李貅，底青云.瞬變電磁法理論與應用研究進展[J].地球物理學進展，2007,22(4):1195-1200.

[2] 牛之鏈.時間域電磁法原理[M].長沙：中南大學出版社，2017：1-6.

[3] 李文堯，晏沖為，鄒振巍，等．瞬變電磁儀研究進展[J].云南大學學報(自然科學版)，2012，34(增刊2)：233-241．

[4] 陳曙東，林君，張爽.發(fā)射電流波形對瞬變電磁響應的影響[J].地球物理學報，2012，55(2)：709-716．

[5] 付志紅，周雒維.兩種新穎的準諧振型電流陡脈沖整形電路[J].中國電機工程學報，2006，26(5)：70-75．

[6] 齊林.時間域航空電磁法發(fā)射機關鍵技術與實驗[D].長春：吉林大學，2012.

[7] 付志紅，周雒維，蘇向豐.瞬變電磁發(fā)射機中的電流脈沖整形技術[J].電力電子技術，2006，40(1):108-110．

[8] 李翰蓀．電路分析基礎[M].4版.北京：北京高等教育出版社， 2006.

Design of a novel fast turn-off circuit of transient electromagnetic transmitter

WANG Guangjun1, MIN Deshun2

(1.School of Automation, China University of Geosciences(Wuhan), Wuhan 430074, China;2.School of Mechanical Engineering and Electronic Information, China University of Geosciences(Wuhan), Wuhan 430074, China)

In view of problem that turn-off time of emission current of transient electromagnetic transmitter is overlong caused by parasitic inductance of the transmitter coils, a novel fast turn-off circuit was designed. During the decline of transmitting current, the fast turn-off circuit uses transistors to provide an additional new discharge circuit, which takes advantages of its large resistance and low discharge time constant to realize quick turn-off of the transmitting current. The results of simulation and experiment show that the novel circuit can decrease the turn-off time of transient electromagnetic transmitter effectively with high stability.

transient electromagnetic transmitter; discharge circuit; time constant; fast turn-off

1671-251X(2016)11-0077-04

10.13272/j.issn.1671-251x.2016.11.019

王廣君，閔德順.一種新型瞬變電磁發(fā)射機快速關斷電路設計[J].工礦自動化，2016,42(11)：77-80.

2016-03-28；

2016-07-25；責任編輯：張強。

王廣君(1964-)，男，河南禹州人，教授，博士，主要研究方向為圖形處理、模式識別、虛擬儀器、智能儀器與信息處理、數(shù)字系統(tǒng)設計， E-mail：gjwang@cug.edu.cn。通信作者：閔德順(1992-)，男，安徽蚌埠人，碩士研究生，主要研究方向為數(shù)字系統(tǒng)設計，E-mail：mindeshun@qq.com。

TD608

A

時間：2016-10-28 16:33

http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20161028.1633.019.html