地质发射机恒压钳位快速关断电路的设计*

杨 淼 沈运先 王 衡 李 纵

(中国船舶重工集团公司第七二二研究所 武汉 430079)



地质发射机恒压钳位快速关断电路的设计*

杨 淼 沈运先 王 衡 李 纵

(中国船舶重工集团公司第七二二研究所 武汉 430079)

由于地质发射机采用双极性矩形电流脉冲,其电流下降沿特性直接影响发射机的性能,为改善发射机输出电流脉冲下降沿特性,提出一种恒压钳位快速关断电路拓扑。建立了电路参数优化模型,运用Saber对电路进行了计算和仿真分析。仿真与实验结果表明,该设计电路降低了关断电流下降时间,提高了下降沿线性度。

恒压钳位; 快速关断电路; 下降沿

Class Number TP273

1 引言

近年来随着电磁探测技术的不断发展,其适用范围越来越广,在矿产资源勘探、地下水和地热勘探、石油勘探、城市地下管线监测等方面发挥越来越重要的作用[1]。时间域电磁法或称瞬变电磁法,是一种根据电磁感应建立的时间域可控源电磁勘探方法,其基本原理是采用不接地环路向地下发射阶跃波或其他脉冲电流,断电时在地下产生涡流交变电磁场,然后利用接收线圈间接检测地下介质体感应的二次电磁场,从而分析出地下介质体的特性[2～3]。

常规瞬变电磁法多采用双极性矩形电流脉冲,发射电流脉冲的质量直接反映到地质体产生二次场信号的质量和数据处理[4～5]。而实际的发射电流脉冲波形受电子开关速度、驱动信号延时和器件噪声的影响,发射电流下降沿需要经过一定的时间才能衰减为零,对探测造成不利影响[6]。

利用开关管高压时关断快,低压时关断慢的特性,论文提出了一种恒压钳位电路,该电路使得开关管两端电压保持为恒定值,提高开关管的关断时间,从而提高下降沿线性度。

2 恒压钳位快速关断的原理

恒压钳位快速关断电路结构如图1所示。在负载两端接入钳位电路,将负载两端电压钳位到钳位电压源电压。

图1 恒压钳位快速关断电路结构图

对于大电感负载,如果忽略负载电阻R,由u(t)=Ldi(t)/dt可知,要想保持电流线性下降,就需使得u(t)在下降沿期间恒定。根据该思想,理想的负载电流、电压波形如图2所示。

图2 理想负载电流、电压波形

在理想情况下,关断电流下降时间:

(1)

在实际工作中,有时脉冲电流没有达到稳态,因此可以用I0表示关断时刻的最大值,即发射电流,因此式(1)改写为

(2)

从式(2)可以看出,关断电流下降时间与母线电压有关,关断电流下降时间随母线电压的升高而减小,低压供电时,tc明显增大。

因此如果可以在开关关断时将负载电压钳位到新的电压源电压上,那么电流下降沿的陡度就由新的电压源电压确定,将这一给定的新的电压源称为钳位电压源。通过调整钳位电压源电压,可以达到调整电流下降沿的目的[7～8]。

3 恒压钳位快速关断电路的设计

恒压钳位快速关断电路的设计电路见图3。U为电源电压,二极管D6、D7构成钳位电路,电容C1为可调钳位电压源,开关T5、电阻R1构成恒压电路,称此电路为恒压钳位电流源。

在t0-t1时间段,主桥臂开关T1、T4导通,负载通以正向电流。在t1-t2时间段,T1、T4截止时,负载能量通过负载RL、钳位二极管D7、电容C1和开关T2的寄生二极管D2形成的回路转移到C1中,负载的电压被钳位到了电容电压UC1。UC1电压由参考电压Uref决定,使得负载电压在电流下降期间为一定值Uref,也就使得负载电流下降沿呈线性。在t3-t4时间段,T2与T3导通,负载通以反向电流,电流上升下降沿呈指数规律。在t4-t5时间段,T2、T3截止时,负载电阻RL、钳位二极管D6、电容C1、D4形成续流通路,负载电压同样被钳位到电容C1的电压。

图3 恒压钳位快速关断电路

uC1(t)的稳压值uC1由参考电压设定。当uC1Uref,T5导通,C1放电,一部分能量由R1消耗,另一部分反馈到电源。T5采用滞环控制。系统电压应力等于uC1,通过设定适当的Uref,可以使系统更安全稳定地工作。

当i0(t)衰减至零后,负载能量应全部转移至C1中,为保证系统安全,应满足

max(uC1)

(3)

式中,UT为电子开关额定耐压。

(4)

C1应满足

(5)

为使稳压效果更好,C1取值应更大。但C1过大,会使上电变慢,影响开机的动态性能[6]。

R1取值,应使得回馈电流小于开关管J5额定电流IT5

(6)

电流脉冲下降沿表达式[9～10]

(7)

令上式为零,得关断电流下降时间

(8)

从式(8)看出,通过调节Uref,可以调节电流下降沿的斜率。Uref增大,t减小。如果令Uref=UT,电流以最大斜率下降,得到电路最小关断电流下降时间。

4 恒压钳位快速关断电路的仿真与实验

采用Saber仿真软件进行电路仿真。选择最大耐压1200V,最大电流300A的英飞凌IGBT模块。设置电路参数U=50V,L=1.6mH,RL=2Ω,C1=200μF,Uref=600V。设置仿真参数End Time=1s,Time Step=100n,Target Iteration=30。分别对原电路与图3所示的恒压钳位电路进行仿真,得到电流下降沿分别如图4中I1和I2所示。图5为恒压钳位快速关断电路实测结果。

图4 脉冲电流下降沿波形图

从仿真与实测结果可以看出,恒压钳位快速关断电路电流下降沿延时大约为144.68μs,较原逆变电路电流脉冲下降沿224μs提高大约80μs,且下降沿线性度较原逆变电路更高。仿真和实验结果与理论计算相符合,表明了恒压钳位快速关断电路设计的正确性与实用性。

5 结语

地质发射机是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场,通过观测在地下介质体感生出的二次场变化来探测地下金属矿物的,因此发射双极性脉冲电流下降沿的好坏直接关系到探测的精度,本文利用Saber仿真软件设计了一种恒压钳位快速关断电路,能将负载电压钳位到新电压源电压,从而提高关断电流下降时间。实验结果表明,该电路有效提升了电流下降沿线性度,减小了关断电流下降时间,提高了系统探测精度。该电路设计简单,实用性强,具有较大的应用价值。

[1] 赖崇杰.大功率双极性陡脉冲电流源的研究[D].重庆:重庆大学,2013.

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[4] 杜茗茗,付志红,周雒维.馈能型恒压钳位双极性脉冲电流源[J].中国电机工程学报,2008(8):57-62.

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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

杨淼,男,硕士研究生,研究方向:低频通信技术。沈运先,男,研究员,研究方向:低频通信技术及大功率发信机。王衡,男,助理工程师,研究方向:低频通信技术。李纵,男,助理工程师,研究方向:低频通信技术。

TP273

10.3969/j.issn1672-9730.2015.08.044