劉磊+李軍峰+劉俊杰+李文杰+吳珊

摘 要： 電磁發(fā)射機(jī)是瞬變電磁（TEM）探測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分，在航空瞬變電磁法中，針對(duì)飛機(jī)電源供電能力不足的問(wèn)題，基于Vicor電源模塊串并聯(lián)技術(shù)，設(shè)計(jì)一種大功率直流電源，與超級(jí)電容儲(chǔ)能器一起，提高了電源的瞬時(shí)功率和供電電壓，解決了飛機(jī)電源和發(fā)射機(jī)之間的功率和阻抗匹配問(wèn)題。實(shí)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(guò)40 kW的瞬時(shí)功率，完全能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

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

中圖分類(lèi)號(hào)： TN643+.1?34； TH763 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 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(shí)間域航空電磁法具有探測(cè)深度大、測(cè)量精度高的技術(shù)特點(diǎn)，是我國(guó)急需的快速高效的大深度礦產(chǎn)勘查裝備技術(shù)。中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地球物理地球化學(xué)勘查研究所在國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃支持下，經(jīng)過(guò)多年的科研攻關(guān)，課題組在專用飛機(jī)改裝設(shè)計(jì)、大磁矩發(fā)射、三分量寬帶接收、實(shí)時(shí)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(jìn)展，研制成功了基于國(guó)產(chǎn)Y12IV型飛機(jī)，具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的固定翼時(shí)間域航空電磁系統(tǒng)空中樣機(jī)[1?3]。為了匹配飛機(jī)電源和大功率發(fā)射機(jī)，需要研制由大功率穩(wěn)壓充電電源和大容量?jī)?chǔ)能器構(gòu)成的電源系統(tǒng)，為發(fā)射機(jī)提供滿足要求的電壓和功率。

Y12飛機(jī)只能提供5.6 kW的輸出[4]，經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算，要實(shí)現(xiàn)600 A峰值電流和50萬(wàn)A·m發(fā)射磁矩，飛機(jī)電源的瞬時(shí)供電能力至少要達(dá)到28.8 kW。在保持平均功率不變的條件下，提高電源的瞬時(shí)放電能力，需要這樣一種功率變換裝置，能將涓涓細(xì)流積攢起來(lái)，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(chǔ)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(jī)電源和發(fā)射機(jī)之間功率匹配的接口，是解決飛機(jī)電源瞬時(shí)功率不足的有效方法[5?6]。

根據(jù)計(jì)算，這個(gè)電容值比較大，達(dá)到了法拉級(jí)，直接掛接飛機(jī)電源，會(huì)導(dǎo)致瞬間短路。另外，飛機(jī)電源和發(fā)射機(jī)之間還存在阻抗匹配問(wèn)題，要求的電源電壓超過(guò)了飛機(jī)電源的28 V。因此，必須在飛機(jī)電源和儲(chǔ)能電容器之間設(shè)計(jì)一級(jí)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(jì)

設(shè)計(jì)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(lèi)型開(kāi)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(gè)模塊的輸出電壓為18～36 V可調(diào)；其中每8塊并聯(lián)可實(shí)現(xiàn)90 A的額定輸出并聯(lián)模組；兩個(gè)這樣的模組串聯(lián)后，可實(shí)現(xiàn)36～72 V輸出，額定功率達(dá)到6.4 kW。

2 Vicor電源模塊

選用Vicor大功率電源模塊來(lái)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(shuō)明：

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

PC：使能開(kāi)關(guān)。PC開(kāi)路或PC對(duì)-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(duì)-IN的壓差小于2.4 V，則模塊失能。endprint

PR：并聯(lián)同步總線。可以同步并聯(lián)模塊的高頻開(kāi)關(guān)信號(hào)，強(qiáng)制各模塊均流。PR為雙向端口，作為主模塊，向各個(gè)從模塊輸出同步信號(hào)；作為從模塊，則接收主模塊的同步信號(hào)。

+OUT和-OUT：電源輸出端；

+S和-S：正負(fù)輸出電源參考端；

SC：輸出電壓控制端。內(nèi)部通過(guò)電阻分壓器對(duì)參考電源分壓，產(chǎn)生一個(gè)誤差信號(hào)。當(dāng)SC對(duì)-S并一個(gè)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(diǎn)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(guò)PR引腳可以同步并聯(lián)模塊的高頻開(kāi)關(guān)信號(hào)，強(qiáng)制各模塊均流。PR為雙向端口，作為主模塊，向各個(gè)從模塊輸出同步信號(hào)；作為從模塊，則接收主模塊的同步信號(hào)作為開(kāi)關(guān)信號(hào)。

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(fù)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(fù)輸入引腳之間應(yīng)當(dāng)接入一個(gè)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(hào)的驅(qū)動(dòng)能力。

3.2 穩(wěn)流控制技術(shù)

圖1中由超級(jí)電容器組成的儲(chǔ)能器的內(nèi)阻非常小，所以一個(gè)很小的壓差，也可能造成很大的負(fù)載電流，導(dǎo)致電源模塊過(guò)流，甚至造成器件的永久性損壞。所以有必要設(shè)計(jì)一個(gè)閉環(huán)控制電路，當(dāng)負(fù)載電流超過(guò)設(shè)定值時(shí)，自動(dòng)降低模塊的輸出電壓，從而減小輸出電流，即實(shí)現(xiàn)穩(wěn)流輸出。如圖4所示，通過(guò)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(yùn)算放大器LM10，工作原理如下：第一級(jí)運(yùn)放的輸出電壓作為設(shè)定值，當(dāng)輸出電流的電壓信號(hào)幅值（2腳）小于設(shè)定電壓（3腳）時(shí)，由于運(yùn)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(kāi)路，SC對(duì)地電阻為R7，此時(shí)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(shí)，6腳輸出負(fù)電壓，D1導(dǎo)通，減小了SC的對(duì)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(gè)模塊的輸出電壓為18～36 V可調(diào)；其中每8塊并聯(lián)可實(shí)現(xiàn)90 A的額定輸出并聯(lián)模組；兩個(gè)這樣的模組串聯(lián)后，可實(shí)現(xiàn)36～72 V輸出，需要設(shè)計(jì)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(yǔ)

大功率直流電源是為了匹配飛機(jī)電源和發(fā)射機(jī)而專門(mén)設(shè)計(jì)的，可以提高電源的瞬時(shí)功率和輸出電壓以匹配負(fù)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(jí)電容器組構(gòu)成的儲(chǔ)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(jī)的電源系統(tǒng)，實(shí)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(guò)40 kW的瞬時(shí)功率，完全能夠滿足設(shè)計(jì)要求。

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