王廣君， 閔德順

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 自動(dòng)化學(xué)院， 湖北 武漢 430074；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 機(jī)械與電子信息學(xué)院， 湖北 武漢 430074)

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一種新型瞬變電磁發(fā)射機(jī)快速關(guān)斷電路設(shè)計(jì)

王廣君1， 閔德順2

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 自動(dòng)化學(xué)院， 湖北 武漢 430074；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 機(jī)械與電子信息學(xué)院， 湖北 武漢 430074)

針對(duì)瞬變電磁發(fā)射機(jī)中發(fā)射線圈存在寄生電感導(dǎo)致發(fā)射電流關(guān)斷時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種新型快速關(guān)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(shí)間常數(shù)小的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)發(fā)射電流的快速關(guān)斷。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該電路能夠有效地降低瞬變電磁發(fā)射機(jī)的關(guān)斷時(shí)間，且穩(wěn)定性好。

瞬變電磁發(fā)射機(jī)； 放電回路; 時(shí)間常數(shù)； 快速關(guān)斷

0 引言

隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國(guó)家對(duì)礦產(chǎn)資源、地下水、地質(zhì)環(huán)境的探測(cè)越來(lái)越迫切，特別是在目前淺部資源枯竭的情況下，對(duì)深部隱蔽礦床的探測(cè)越發(fā)顯得尤為重要。瞬變電磁法(Transient Electromagnetic Method)是一種時(shí)間域的電磁探測(cè)方法，其原理是利用發(fā)射線圈向地下發(fā)射一次場(chǎng)，地下地質(zhì)體在一次場(chǎng)的感應(yīng)下會(huì)產(chǎn)生二次場(chǎng)信號(hào)，研究二次場(chǎng)信號(hào)隨時(shí)間變化的關(guān)系就可以得到地下地質(zhì)體的物理特性[1-2]。瞬變電磁法具有場(chǎng)源靈活、穩(wěn)定高效、探測(cè)深度深等優(yōu)點(diǎn)。但是由于我國(guó)在瞬變電磁儀的研制上起步較晚，目前國(guó)內(nèi)研制的瞬變電磁儀與國(guó)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(chǎng)合，往往還是選擇國(guó)外進(jìn)口的儀器，因此，研制我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的瞬變電磁儀具有比較深遠(yuǎn)的戰(zhàn)略意義[3]。

瞬變電磁發(fā)射機(jī)的發(fā)射電流在瞬變電磁系統(tǒng)中起到了至關(guān)重要的作用。減小發(fā)射電流的關(guān)斷時(shí)間(從最大值下降到零所需的時(shí)間)，可以在一定程度上提高儀器測(cè)量的準(zhǔn)確性[4]。為了盡可能地減小發(fā)射電流的關(guān)斷時(shí)間，參考文獻(xiàn)[5]提出了2種準(zhǔn)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(dāng)?shù)臅r(shí)候，可以比較好地降低發(fā)射電流的下降時(shí)間，提高關(guān)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(guān)。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(duì)瞬變電磁發(fā)射機(jī)研究中的發(fā)射電流問(wèn)題，本文提出了一種新型瞬變電磁發(fā)射機(jī)快速關(guān)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(gè)特殊的放電回路，通過(guò)減小放電時(shí)間常數(shù)的方法加速發(fā)射電流的下降，減小關(guān)斷時(shí)間。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，該電路能極大地減小發(fā)射電流的關(guān)斷時(shí)間。

1 瞬變電磁發(fā)射機(jī)全橋電路

為了能夠在與發(fā)射機(jī)相連的負(fù)載線圈上得到雙極性矩形脈沖電流，瞬變電磁發(fā)射機(jī)常采用MOS管或者絕緣柵雙極性晶體管(IGBT)構(gòu)成的全橋電路，只要控制全橋電路中功率晶體管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，即可在負(fù)載線圈上得到雙極性矩形脈沖電流。發(fā)射機(jī)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(jiàn)參考文獻(xiàn)[6]。

圖1 發(fā)射機(jī)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(gòu)成瞬變電磁發(fā)射機(jī)常用的RCD吸收電路。根據(jù)參考文獻(xiàn)[7]可知，該電路的關(guān)斷時(shí)間為

(1)

式中：U1為電源電壓和二極管導(dǎo)通壓降之和；I0為關(guān)斷時(shí)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(guān)斷時(shí)間與電源電壓有關(guān)系，電源電壓越高，關(guān)斷時(shí)間越短。由于瞬變電磁發(fā)射機(jī)的電源電壓一般都不會(huì)很高，所以，RCD吸收電路的關(guān)斷時(shí)間很長(zhǎng)。取線圈參數(shù)L=1.2 mH,RL=0.5 Ω，在發(fā)射電流I0=10 A時(shí)，關(guān)斷時(shí)間約為1.3 ms。

2 新型快速關(guān)斷電路設(shè)計(jì)

瞬變電磁發(fā)射機(jī)發(fā)射電流的關(guān)斷過(guò)程可以等效成一個(gè)電感的放電過(guò)程。根據(jù)參考文獻(xiàn)[8]，電感在放電的過(guò)程中，其放電時(shí)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(shí)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(shí)間常數(shù)，加速電流的下降。

據(jù)此思想，本文設(shè)計(jì)了一種新型瞬變電磁發(fā)射機(jī)快速關(guān)斷電路，如圖2所示，發(fā)射線圈的供電過(guò)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(shí)，Q5、Q6均是導(dǎo)通的，反向供電過(guò)程和正向供電過(guò)程類(lèi)似，所以本文只介紹正向供電過(guò)程。

圖2 新型瞬變電磁發(fā)射機(jī)快速關(guān)斷電路

正向供電開(kāi)始時(shí)刻，Q1、Q4、Q5、Q6導(dǎo)通，Q2、Q3截止，負(fù)載線圈中流過(guò)正向電流，電流流向?yàn)閂CC→Q1→Q5→L→RL→Q6→Q4。由于晶體管導(dǎo)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(huì)增加系統(tǒng)額外的損耗。

正向供電結(jié)束時(shí)刻，Q1、Q4、Q5、Q6同時(shí)截止。負(fù)載電感通過(guò)電阻R3和晶體管的寄生二極管與電源構(gòu)成放電回路，放電過(guò)程中，電流的流向?yàn)長(zhǎng)→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(fù)載電感放電回路中的時(shí)間常數(shù)就會(huì)比較小，從而使負(fù)載電感中的電流快速下降，減小關(guān)斷時(shí)間。

3 理論分析

在負(fù)載線圈正向供電電流下降沿期間，負(fù)載電感放電回路的等效電路如圖3所示。

圖3 負(fù)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(dāng)t=0時(shí)，即關(guān)斷時(shí)，線圈上電流等于發(fā)射電流I0，由此可得電流i(t)的表達(dá)式為

(3)

令i(t)=0，可得關(guān)斷時(shí)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(guān)斷時(shí)間t與R3和電壓U有關(guān)，其中，U等于電源電壓和3個(gè)二極管導(dǎo)通壓降之和，在電源電壓固定的情況下，可以認(rèn)為U值是不變的，因此，關(guān)斷時(shí)間僅與R3有關(guān)。根據(jù)式(4)可知，發(fā)射機(jī)的關(guān)斷時(shí)間隨R3的增大而變小。

為了與RCD吸收電路進(jìn)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(guān)斷時(shí)間t與R3的關(guān)系曲線，如圖4所示。

圖4 關(guān)斷時(shí)間t與R3的關(guān)系曲線

由圖4可看出，關(guān)斷時(shí)間隨著R3的增大有明顯的下降趨勢(shì)，理論上來(lái)說(shuō)，R3取無(wú)窮大可以使關(guān)斷時(shí)間趨近于零。但是R3并不能無(wú)限大。一方面，t=0時(shí)，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(guò)高可能會(huì)擊穿晶體管；另一方面，根據(jù)圖4可看出，雖然發(fā)射機(jī)的關(guān)斷時(shí)間會(huì)隨著R3的增大而減小，但是這種減小的趨勢(shì)隨著R3的增大越來(lái)越小，當(dāng)R3大到一定程度之后，繼續(xù)增加R3幾乎不會(huì)減小關(guān)斷時(shí)間。因此，為了保證系統(tǒng)的安全性與穩(wěn)定性，R3大小應(yīng)有所限制。

4 仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 仿真結(jié)果

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

圖5 電流波形仿真結(jié)果

由圖5可以看出，R3越大，發(fā)射機(jī)的關(guān)斷時(shí)間越短，且仿真結(jié)果和理論計(jì)算基本完全吻合。當(dāng)R3=50 Ω時(shí)，關(guān)斷時(shí)間已經(jīng)下降到100 μs左右，此時(shí)電阻兩端的電壓在關(guān)斷的一瞬間已經(jīng)達(dá)到了500 V。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

對(duì)RCD吸收電路和本文提出的快速關(guān)斷電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。參數(shù)設(shè)置如下：L=1.2 mH,RL=0.5 Ω,I0=10 A。實(shí)驗(yàn)過(guò)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(cè)發(fā)射電流波形。由于實(shí)驗(yàn)中采用耐壓值為650 V的晶體管，故R3不能超過(guò)65 Ω，實(shí)際實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，R3=51 Ω。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(guān)斷時(shí)間約為1.3 ms，由圖6(b)可以看出，本文提出的快速關(guān)斷電路的關(guān)斷時(shí)間大約為100 μs。與RCD吸收電路相比，本文提出的快速關(guān)斷電路將發(fā)射電流的關(guān)斷時(shí)間減小到原來(lái)的1/10以下，且實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果一致。

(a) RCD吸收電路電流下降波形

(b) 快速關(guān)斷電路電流下降波形

5 結(jié)語(yǔ)

瞬變電磁發(fā)射機(jī)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(dǎo)致發(fā)射電流關(guān)斷時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。新型瞬變電磁發(fā)射機(jī)快速關(guān)斷電路利用電阻和晶體管減小電感放電時(shí)間常數(shù)，為瞬變電磁發(fā)射機(jī)的研制提供了一種較好的減小發(fā)射電流關(guān)斷時(shí)間的方案。電阻取值越大，發(fā)射電流的關(guān)斷時(shí)間越短，但是對(duì)晶體管的耐壓值要求也就越高。在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)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(guó)強(qiáng)，李貅，底青云.瞬變電磁法理論與應(yīng)用研究進(jìn)展[J].地球物理學(xué)進(jìn)展，2007,22(4):1195-1200.

[2] 牛之鏈.時(shí)間域電磁法原理[M].長(zhǎng)沙：中南大學(xué)出版社，2017：1-6.

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[8] 李翰蓀．電路分析基礎(chǔ)[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(jī)快速關(guān)斷電路設(shè)計(jì)[J].工礦自動(dòng)化，2016,42(11)：77-80.

2016-03-28；

2016-07-25；責(zé)任編輯：張強(qiáng)。

王廣君(1964-)，男，河南禹州人，教授，博士，主要研究方向?yàn)閳D形處理、模式識(shí)別、虛擬儀器、智能儀器與信息處理、數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)， 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?yàn)閿?shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)，E-mail：mindeshun@qq.com。

TD608

A

時(shí)間：2016-10-28 16:33

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