用于航空瞬變電磁發(fā)射機的大功率直流電源設(shè)計

劉磊+李軍峰+劉俊杰+李文杰+吳珊

摘 要： 電磁發(fā)射機是瞬變電磁（TEM）探測系統(tǒng)的重要組成部分，在航空瞬變電磁法中，針對飛機電源供電能力不足的問題，基于Vicor電源模塊串并聯(lián)技術(shù)，設(shè)計一種大功率直流電源，與超級電容儲能器一起，提高了電源的瞬時功率和供電電壓，解決了飛機電源和發(fā)射機之間的功率和阻抗匹配問題。實際應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有6.4 kW的平均功率，可以提供超過40 kW的瞬時功率，完全能夠滿足設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞： 瞬變電磁發(fā)射機； 直流電源； Vicor電源模塊； 瞬時功率

中圖分類號： TN643+.1?34； TH763 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）18?0171?03

Design of high?power DC power supply for airborne transient electromagnetic transmitter

LIU Lei， LI Junfeng， LIU Junjie， LI Wenjie， WU Shan

（Institute of Geophysical and Geochemical Exploration， CAGS， Langfang 065000， China）

Abstract： Electromagnetic transmitter is an important component of transient electromagnetic （TEM） detection system. In order to improve power supply capacity of aircraft using aviation transient electromagnetic method， a high?power DC power supply was designed on the basis of series and parallel technologies of Vicor power supply module， which can raise the instantaneous power and power supply voltage of the power supply in combination with super capacitor energy storage device， and solve the problem of power and impedance matching between aircraft power supply and transmitter. The practical application results show that the system possesses the average power of 6.4 kW， and can provide instantaneous power above 40 kW， which is able to meet the design requirements.

Keywords： transient electromagnetic transmitter； DC power supply； Vicor power module； instantaneous power

固定翼時間域航空電磁法具有探測深度大、測量精度高的技術(shù)特點，是我國急需的快速高效的大深度礦產(chǎn)勘查裝備技術(shù)。中國地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所在國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃支持下，經(jīng)過多年的科研攻關(guān)，課題組在專用飛機改裝設(shè)計、大磁矩發(fā)射、三分量寬帶接收、實時全波形數(shù)據(jù)收錄等核心、關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域取得了突破性進展，研制成功了基于國產(chǎn)Y12IV型飛機，具有完全自主知識產(chǎn)權(quán)的固定翼時間域航空電磁系統(tǒng)空中樣機[1?3]。為了匹配飛機電源和大功率發(fā)射機，需要研制由大功率穩(wěn)壓充電電源和大容量儲能器構(gòu)成的電源系統(tǒng)，為發(fā)射機提供滿足要求的電壓和功率。

Y12飛機只能提供5.6 kW的輸出[4]，經(jīng)過簡單計算，要實現(xiàn)600 A峰值電流和50萬A·m發(fā)射磁矩，飛機電源的瞬時供電能力至少要達到28.8 kW。在保持平均功率不變的條件下，提高電源的瞬時放電能力，需要這樣一種功率變換裝置，能將涓涓細流積攢起來，然后迅速釋放掉。顯然，電容器就是這樣的一種變換裝置，它既有儲能的作用，也具有快速放電的能力。因此，采用電容器作為飛機電源和發(fā)射機之間功率匹配的接口，是解決飛機電源瞬時功率不足的有效方法[5?6]。

根據(jù)計算，這個電容值比較大，達到了法拉級，直接掛接飛機電源，會導(dǎo)致瞬間短路。另外，飛機電源和發(fā)射機之間還存在阻抗匹配問題，要求的電源電壓超過了飛機電源的28 V。因此，必須在飛機電源和儲能電容器之間設(shè)計一級具有限流功能、升壓功能、電氣隔離功能的DC?DC變換充電器。

1 系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)計的大功率直流變換電源如圖1所示[7?10]，主體由16塊平均功率為400 W的DC?DC模塊組成，該類型開關(guān)電源模塊具有同步脈沖控制接口，可以組成串并聯(lián)陣列。每個模塊的輸出電壓為18～36 V可調(diào)；其中每8塊并聯(lián)可實現(xiàn)90 A的額定輸出并聯(lián)模組；兩個這樣的模組串聯(lián)后，可實現(xiàn)36～72 V輸出，額定功率達到6.4 kW。

2 Vicor電源模塊

選用Vicor大功率電源模塊來構(gòu)建大功率直流充電器，圖2為Vicor電源模塊內(nèi)部等效電路圖。

模塊功能管腳說明：

+IN和-IN：電源輸入，一般為寬壓輸入（考慮飛機電源為28 V，選用18～36 V系列）。

PC：使能開關(guān)。PC開路或PC對-IN的壓差大于2.4 V，則模塊使能；如果外部控制電路導(dǎo)致PC對-IN的壓差小于2.4 V，則模塊失能。endprint

PR：并聯(lián)同步總線?？梢酝讲⒙?lián)模塊的高頻開關(guān)信號，強制各模塊均流。PR為雙向端口，作為主模塊，向各個從模塊輸出同步信號；作為從模塊，則接收主模塊的同步信號。

+OUT和-OUT：電源輸出端；

+S和-S：正負輸出電源參考端；

SC：輸出電壓控制端。內(nèi)部通過電阻分壓器對參考電源分壓，產(chǎn)生一個誤差信號。當(dāng)SC對-S并一個電位器RD，調(diào)節(jié)RD的大小就可以控制輸出電壓的大小。

3 Vicor電源模塊應(yīng)用技術(shù)

3.1 并聯(lián)均流控制技術(shù)

Vicor電源模塊的特點是只需增加少量外部組件，便可以組成數(shù)千瓦功率的并聯(lián)陣列，增大輸出功率。通過PR引腳可以同步并聯(lián)模塊的高頻開關(guān)信號，強制各模塊均流。PR為雙向端口，作為主模塊，向各個從模塊輸出同步信號；作為從模塊，則接收主模塊的同步信號作為開關(guān)信號。

圖3為均流同步電路連接圖，圖中V1，V2配置為主模塊，V3等為從模塊（各從模塊的接線方式與V3相同）。每只模塊的正負輸入引腳都應(yīng)用0.2 μF陶瓷或薄膜電容本地旁路，這樣可以分流高頻的輸入紋波電流。每只模塊的基板和負輸入引腳之間應(yīng)當(dāng)接入一個4 700 pF的Y?電容，分流共模電流分量。專用變壓器29768在PR引腳提供電氣隔離。采用三極管提高主模塊PR信號的驅(qū)動能力。

3.2 穩(wěn)流控制技術(shù)

圖1中由超級電容器組成的儲能器的內(nèi)阻非常小，所以一個很小的壓差，也可能造成很大的負載電流，導(dǎo)致電源模塊過流，甚至造成器件的永久性損壞。所以有必要設(shè)計一個閉環(huán)控制電路，當(dāng)負載電流超過設(shè)定值時，自動降低模塊的輸出電壓，從而減小輸出電流，即實現(xiàn)穩(wěn)流輸出。如圖4所示，通過電流傳感器ACS714將輸出電流轉(zhuǎn)換為電壓值，采用含有內(nèi)部參考電壓源（0.2 V）的雙運算放大器LM10，工作原理如下：第一級運放的輸出電壓作為設(shè)定值，當(dāng)輸出電流的電壓信號幅值（2腳）小于設(shè)定電壓（3腳）時，由于運放為反相放大，6腳輸出為正電壓，導(dǎo)致D1反向截止，R6相當(dāng)于開路，SC對地電阻為R7，此時模塊的最大輸出電壓由R7決定；反之，當(dāng)輸出電流大于設(shè)定值時，6腳輸出負電壓，D1導(dǎo)通，減小了SC的對地電阻，從而降低模塊的輸出電壓。

3.3 串聯(lián)均壓技術(shù)

如圖1所示，由16塊功率400 W的電源模塊組成串并聯(lián)陣列，每個模塊的輸出電壓為18～36 V可調(diào)；其中每8塊并聯(lián)可實現(xiàn)90 A的額定輸出并聯(lián)模組；兩個這樣的模組串聯(lián)后，可實現(xiàn)36～72 V輸出，需要設(shè)計相應(yīng)的均壓控制電路，如圖5所示。

當(dāng)模塊2的輸出電壓向下微調(diào)（V1

4 結(jié) 語

大功率直流電源是為了匹配飛機電源和發(fā)射機而專門設(shè)計的，可以提高電源的瞬時功率和輸出電壓以匹配負載?；赩icor電源模塊串并聯(lián)技術(shù)的穩(wěn)流充電器和由超級電容器組構(gòu)成的儲能器以及緩沖電感，構(gòu)成了最終的大功率航空瞬變電磁發(fā)射機的電源系統(tǒng)，實際應(yīng)用結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有6.4 kW的平均功率，可以提供超過40 kW的瞬時功率，完全能夠滿足設(shè)計要求。

參考文獻

[1] 胡平，李文杰，李軍峰，等.固定翼時間域航空電磁勘查系統(tǒng)研發(fā)進展[J].地球?qū)W報，2012，33（1）：7?12.

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

[3] 嵇艷鞠，林君，關(guān)珊珊，等.直升機航空TEM中心回線線圈姿態(tài)校正的理論研究[J].地球物理學(xué)報，2010，53（1）：171?176.

[4] 鄂國慶，徐英哲，李文杰.固定翼時間域航空電磁系統(tǒng)的飛機選型問題[J].物探與化探，2012，36（4）：595?597.

[5] 李軍峰，李文杰，劉俊杰.一種新型的組合波航空電磁脈沖發(fā)射系統(tǒng)[J].物探與化探，2014，38（6）：1186?1189.

[6] 曾志輝，張一鳴，陶海軍，等.基于超級電容器儲能的時域激發(fā)極化法發(fā)射機研究[J].工礦自動化，2014，40（4）：51?54.

[7] 李俊唐，付志紅，蘇向豐，等.梯形脈沖瞬變電磁發(fā)射機[J].電測與儀表，2012，49（2）：72?75.

[8] 付一奎，楊永明，付志紅，等.瞬變電磁發(fā)射機的無源恒壓鉗位技術(shù)[J].傳感器與微系統(tǒng)，2011，30（8）：46?49.

[9] 趙海濤，劉麗華，吳凱，等.恒壓鉗位高速關(guān)斷瞬變電磁發(fā)射系統(tǒng)[J].儀器儀表學(xué)報，2013，34（4）：803?808.

[10] 范永山，李治源，支彬安.高壓恒流充電電源監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（14）：195?198.

[11] 熊靜，高嵩，張良，等.LabVIEW時頻分析在地空瞬變電磁信號處理中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2015，38（24）：107?110.