大功率瞬變電磁發(fā)射機的仿真與研制

趙 翔，錢文圣，亓慶新

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

瞬變電磁法（Transient Electromagnetic Method）簡稱TEM，它是基于電磁感應原理，在連續(xù)的電磁場對非接地回路的激勵下，產生感應磁場（通常稱為一次場），而不同的地下介質在一次場的激勵下回產生不同的隨時間變化的感應電磁場（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，經數據處理之后可以達到探測地下地質結構的目的（Nabighian and Macnae,1991）[2]。而瞬變電磁法由于對低阻敏感、操作簡便、分辨率高被廣泛應用與探測礦產資源、水文地質、地質災害中。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斷時間也會加長，而瞬變電磁發(fā)射機電流關斷時間直接影響了淺層探測精度，是研制瞬變電磁發(fā)射機的關鍵技術，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），線圈內阻（RL）組成。其中MOS管起著開關作用，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，其下降沿仿真結果如圖2所示。

圖2 全橋電路仿真關斷時間圖

從圖2中可以看到不加任何吸收回路的全橋電路關斷時間長，達到了1mS，且尾部產生震蕩現象，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斷電路，RCD吸收回路，TVS關斷電路等等。準諧振關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，從而達到快速關斷的目的，此種方法的好處是關斷時間短，關斷之后并不會有其他能量再次涌入發(fā)射線圈產生震蕩[6]。而RCD吸收回路由于成本低，關斷時間短，關斷線性好被廣泛應用于瞬變電磁發(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斷的目的。TVS關斷電路是依靠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斷時間為0.6 mS，與不加任何吸收回路下降沿關斷時間（1mS）相比，明顯縮短，關斷線性好，但是在尾端出現震蕩現象。

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?,?,此時電流會產生震蕩現象，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，關斷時間僅約為0.53 mS，關斷時間大大降低，且尾端并無震蕩現象，但是在電流下降沿前期關斷線性不好。

2.3 準諧振關斷電路

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，此階段電流呈指數函數趨勢上升，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 準諧振關斷電路電流下降沿仿真圖

從圖8中可以看到，準諧振關斷電路的關斷時間約為0.53mS，但是下降沿尾端出現震蕩，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斷時間與關斷波形，故取U=48V,L=5m，選取不同的電容電阻值進行實驗對比，對比結果如表1所示。

表1 不同電容電阻值與關斷時間表

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致關斷時間的減小，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，導致關斷時間的增大。從圖中可以看到最短關斷時間是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，且經過實際測量，完全滿足大功率瞬變電磁發(fā)射機的需求。