时域电磁探测发射机损耗及热分析设计

黄江波，付 炜，付志红

(1.重庆大学 电气工程学院，重庆 408044；2.长江师范学院 电子信息工程学院，重庆 408100；3.国网重庆市电力公司市区供电分公司，重庆 400015)

时域电磁探测发射机损耗及热分析设计

黄江波1,2，付 炜3，付志红1

(1.重庆大学 电气工程学院，重庆 408044；2.长江师范学院 电子信息工程学院，重庆 408100；3.国网重庆市电力公司市区供电分公司，重庆 400015)

电磁探测技术广泛应用于矿产勘察、考古研究、环境安全检测等多个领域，而时域电磁探测技术更有着深度大、效率高、成本低的特点，有广泛的应用前景。针对常见的时域电磁探测系统发射功率大、损耗及热效能较大，如何降低损耗和热效能的问题，利用PLECS仿真软件操作简便、稳定性好、器件全面以及仿真速度快等优点，从理论上计算了全桥变换器逆变电路的损耗，设计了一种新型的时域电磁探测发射机的热仿真模型，分析了不可控制整流电路和全桥变换器逆变电路的平均损耗，并计算了高频变压器两侧散热器最大热阻值。实验仿真表明，该方法简单准确，可以有效防止散热器过度设计，提升系统设计效率和工作效率，确保系统稳定，为进一步搭建样机模型提供了热仿真基础，很大程度上缩短了搭建模型的试验过程。

电磁探测机；损耗；热阻；稳定性

0 引 言

由于常见的时域电磁探测系统发射功率大，损耗及热效能较大的特点，因此，在设计发射系统时，只有充分考虑到损耗和热效能对系统设计的影响，才能提高设计效率，减少时间周期，并且进一步增强分析系统的稳定性、准确性和可靠性。本文利用PLECS仿真软件操作简便、稳定性好、器件全面以及仿真速度快等优点[1-2]，通过分析时域电磁探测发射机的器件、高频变压器及整流器控制系统中损耗和发热情况，设计了时域电磁探测发射机热仿真模型，该模型除了可以快速地计算高频变压器左右两侧散热器热阻最大值，防止散热器的过度设计，还可以提升系统设计效率，为进一步搭建样机模型提供了热仿真基础，很大程度上缩短了搭建模型的试验过程。

1 PLECS的特点

PLECS是由瑞士Plexim GmbH公司开发的一款系统级的用于电路和控制结合的多功能仿真软件，尤其适用于电力电子和传动系统。它具有强大的器件库，除了标准的如电压电流源、电压电流表以及无源器件以外，还提供了电力电子的特殊元件。它的热分析函数库、损耗分析等模块，热仿真功能强大，完全可根据需求按元件特性或者编写语言程序构建所需的元件或模块。在仿真算法方面，PLECS 构建了基于系统状态空间描述模型，与电力电子仿真软件Saber和PSPice 的仿真算法相比，PLECS 的仿真速度更快。

2 发射机拓扑结构及损耗计算

本文设计的时域电磁探测发射机拓扑结构如图1所示[3-4]。该时域电磁探测发射机的相关参数如下：发电机为交流供电50 Hz/220 V的单相交流发电机；直流输出电压为0～1 000 V大范围可调电压；发射电流为50 A(200 V以下)；最大输出功率为10 kW；下降沿时间小于100 μs(感性负载5 mH以内)。

图1 时域电磁探测发射机拓扑结构Fig.1 TDEM transmitter topology

根据拓扑图1可知，逆变电路中主要是绝缘栅双极型晶体管 (insulated gate bipolar transistor，IGBT)损耗，由开关损耗Psw和导通损耗组成Pcond，IGBT模块内部由IGBT chip和FWD chip组成，其导通损耗Pcond由IGBT chip的导通损耗和FWD chip的导通损耗PT组成，其开关损耗Psw由IGBT chip的开通损耗、关断损耗和FWD chip的反向恢复损耗组成[5]。

导通损耗是一个输出周期T0内，IGBT chip的导通损耗，表示为

(1)

(1)式中：vT为导通电压；ic为导通电流。可以查资料，导通电压可线性拟合为

(2)

(2)式中，VT0为等效门槛电压。

由(1)式和(2)式求得

(3)

同理可得FWD chip的导通损耗为

(4)

(4)式中：Im为输出最大有效值电流；DT，VT0和RT分别为IGBT chip的平均导通占空比，等效门槛电压和动态平均电阻；DF，VF0和RF分别为FWD chip的平均导通占空比、等效门槛电压和动态平均电阻。

开关损耗的计算由开关能量参数决定，IGBT开通损耗Pon可表示为

(5)

(5)式中：fo为输出电流频率；n为半周期内IGBT的开关次数；Eon(i)为第i次开通时的开通能量。

同理可得，关断损耗Poff和反向恢复损耗Prr分别表示为

(6)

(7)

由已知参数和供应商提供的开关能量曲线进行导通损耗和开关损耗计算，可得开关管S1，S2在一个电源周期内平均导通损耗为57.1 W，开关损耗为52.4 W，开关管S1，S2总损耗为219 W；开关管S3，S4在一个电源周期内平均导通损耗为57.2 W，开关损耗为36.6 W，开关管S3，S4的总损耗为187.6 W。

3 建模及分析

3.1 仿真系统设计

在设计新型的时域电磁探测发射机仿真模型时，本文将PLECS Blockset作为损耗分析及热分析工具，使用MATLAB/Simulink作为仿真工具，以子系统的形式建立时域电磁探测发射电路的主拓扑部分，并在子系统内建立了热分析模型以便提供损耗分析和热分析数据。该仿真模型先以DC/DC全桥变换电路输出电压作为控制信号输出到控制系统，接着将控制信号输入到子系统，两者交互作用，完成整个系统的全面分析。模型中添加了散热器模型覆盖所需散热的器件，并在高频变压器两端分别添加了2个散热器，利用Probe探针，可获取功率器件的瞬时损耗信息[6-7]。本文设计的MATLAB/Simulink和PLECS联合仿真系统如图2所示。

图2 MATLAB/Simulink，PLECS联合仿真系统框图Fig.2 MATLAB/Simulink and PLECS co-simulation diagram

以FF100R06KE3模块中IGBT为例，描述建立损耗计算模型的过程，如图3所示。在使用PLECS的过程中，系统给相应的功率器件添加了热描述(thermal description)，建立了器件的特征模型，如导通损耗、开关损耗、热阻抗等。

图3 热描述添加框Fig.3 Thermal description add path

IGBT工作特性如图4所示。从FF100R06KE3的数据手册中查找到的IGBT的导通特性曲线见图4a，其中，Tvj是IGBT的结温。由曲线图4a在热描述中添加的以二维查询表描述的导通损耗计算模型见曲线图4b。

在模型中添加Probe探针，可得到瞬时导通损耗为

(8)

(8)式中：vCE(t)为瞬时集射极之间电压；iC(t)为瞬时集电极电流。

通过Probe探针采集到瞬时导通损耗后，编写C-Script模块，可得到一个周期内的平均导通损耗为

(9)

(9)式中，ts为开关周期。

从FF100R06KE3的数据手册中查找到的IGBT开关损耗曲线如图5所示。由于IGBT工作电压范围较大，故将开关特性曲线线性化处理后作为IGBT的开通和关断损耗模型的参考，在热描述中的三维查询表模型如图6所示。

PLECS记录了每个开关动作前后半导体器件的运行条件(含正向电流、阻断电压和结温)，PLECS可以通过三维查询表精确计算开关损耗，而不是根据电流和电压的瞬变决定半导体器件的开关损耗，开通损耗为

(10)

(10)式中：iaf为开关开通后电流；vbe为开关开通前电压；Tj为IGBT的温度。

图4 IGBT工作特性Fig.4 IGBT operating characteristic

关断损耗为

(11)

(11)式中：ibe为关断前的电流；vaf为关断后的电压。

图5 IGBT开关损耗曲线Fig.5 IGBT switching characteristic curve

总的瞬时开关损耗为

(12)

由Probe采集到瞬时开关损耗后，编写C-Script模块，可得到一个周期内平均开关损耗为

(13)

图6 IGBT损耗模型Fig.6 IGBT loss model

3.2 损耗及热阻分析

根据电一热比拟理论，即温度类比电压、热流量类比电流、热阻类比电阻，结合电路中的欧姆定律和热路中的傅里叶导热定律可获得稳态热阻为[8-9]

(14)

(14)式中：Rth为热阻；ΔT为温差；PD为耗散的功率。

带有散热器的晶体管热电路如图7所示。其中，TA为环境温度；Rth_sA为散热器到环境之间热阻；TS为散热器温度；Rth_C为封装到散热器之间的热阻；TC为封装温度；Rth_JC为晶体管到封装热阻；TJ为晶体管结温。

图7 散热器的晶体管热电路示意图Fig.7 Thermal circuit of a transistor with heat sink

晶体管损耗的功率为

(15)

(15)式中：Rth_JA为晶体管与环境之间的热阻；Rth_JA=Rth_C+Rth_JC+Rth_CS+Rth_SA；PD为晶体管损耗的功率。

高频变压器左侧功率器件的热电路结构如图8所示。其中，PD_D,PD_IGBT,PD_Diode分别为整流二极管、IGBT和其反并二极管损耗功率；PD_total为整流二极管、IGBT及其反并二极管耗散总功率；Rth_JC_D为整流二极管到封装的热阻；Rth_CS_D为整流二极管封装到散热器之间的热阻；Rth_JC_IGBT为IGBT管到封装的热阻；Rth_CS_IGBT为IGBT管封装到散热器之间的热阻；Rth_JC_Diode为反并二极管到封装的热阻；Rth_CS_Diode为反并二极管封装到散热器之间的热阻；Rth_sA为散热器到环境之间热阻。

图8 高频变压器左侧功率器件热电路Fig.8 Thermal circuit of power devices at the left side of high frequency transformer

器件上的损耗类似与电路中的电流源，器件各级热阻分别串联之后再并联，各器件的温度分别为

(16)

当电路工作在500 V档时，输出最大功率，发射桥路频率为4 Hz，全桥变换电路逆变桥开关管损耗如图9所示，可在该情况下进行热分析。

图9 全桥变换电路逆变桥开关管损耗Fig.9 Full bridge switching circuit inverter bridge loss

DC/DC全桥变换电路逆变桥中(S1，S2，S3，S4为开关管)，图9为开关管损耗的计算。由图9可知， S1，S2在一个电源周期内平均导通损耗为57.3 W，开关损耗为52.6 W，S1，S2总损耗为219.8 W；S3，S4在一个电源周期内平均导通损耗为57.3 W，开关损耗为36.8 W。

反并二极管的续流损耗如图10所示，该损耗在3 W左右时，S3，S4的总损耗为194.2 W。

经分析，变压器左侧总的功率器件损耗Ptolal为506.4 W，根据器件数据手册可以查到各级的热阻：Rth_JC_D+Rth_CS_D=0.323 K/W，Rth_JC_IGBT=0.16 K/W，Rth_CS_IGBT=0.03 K/W，Rth_JC_Diode=0.3 K/W，Rth_CS_Diode=0.06 K/W。将以上模型计算数据及器件各级热阻带入(15)式，在器件工作环境温度为50 ℃，满足各器件工作最高温度125 ℃时，计算散热器的最大热阻约为0.11 K/W，故在实际环境中应选择热阻略低于此值的散热器。

同理可知，对变压器右侧电路进行损耗及热分析，损耗计算情况如图11所示。

高频整流桥单个二极管一个电源周期内平均导通损耗为18 W左右，开关损耗在数据手册中为待定，当开关损耗约等于导通损耗的情况下，高频整流桥损耗为144 W。由于工作频率远低于开关频率，在一个电源周期内，如只有一对开关导通发射，则桥路的开关损耗可以忽略，主要损耗为导通损耗，单个开关损耗为37.8 W左右，发射电路损耗为75.6 W。变压器右侧总的功率器件损耗Ptotal_left为219.6 W，根据数据手册可知，高频整流二极管热阻为Rth_JC_Diode_left=0.3 K/W，Rth_CS_Diode_left=0.25 K/W；发射电路IGBT热阻为Rth_JC_IGBT_left=0.16 K/W，Rth_CS_IGBT_left=0.03 K/W，将各级热阻数据带入(15)式，工作环境温度为50 ℃，在满足各器件工作最高温度为125 ℃时，散热器最大热阻为0.27 K/W，故在实际环境中应选择热阻略低于此值的散热器。

根据对图9—图11的分析可知，系统的功率开关总损耗值为726 W，只考虑功率开关损耗的情况下效率为92.7%。由此可知，时域电磁探测发射机系统效率并不高，若考虑电路其他无源器件损耗以及变压器损耗，效率则可能低于90%，因此，可进一步研究提升系统效率的方法。

图10 反并二极管续流损耗Fig.10 Loss of anti-parallel diode

图11 变压器右侧电路损耗及热分析Fig.11 Transformer right circuit loss and thermal analysis

4 总 结

本文以PLECS作为仿真工具，建立了时域电磁探测发射系统热仿真模型，理论计算了全桥变换器逆变电路损耗，与实验所得损耗进行对比，其结果基本吻合。通过实验得到了系统功率开关的总损耗，验证了提升系统效率的方法。除此之外，通过损耗计算进行了热分析，在可工作温度内计算出高频变压器左右两侧散热器热阻最大值，防止了散热器的过度设计，为进一步搭建样机模型提供了热仿真基础，很大程度上缩短了搭建模型的试验过程。

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(编辑：王敏琦)

s：The National Natural Science Foundation of China(51277189);The Chongqing Education Committee Science and Technology Research Projects(KJ1401224)

Electromagnetic detection technologies is widely used in mineral exploration, archaeological research, environmental safety testing and other fields. As one of the electromagnetic detection technologies, the time domain electromagnetic detection technology has characteristics of great depth, high efficiency and low cost, so it has a broad application prospect. Because of the great power of the time-domain electromagnetic detection system, the loss and thermal efficiency is large. How to reduce the loss and thermal efficiency has become the focus of the study. By using PLECS with multiple advantages, such as simple operation, good stability, well-equipped devices and fast simulation speed, the theory calculated the average loss of inverter circuits of full-bridge converters. Our study designed a thermal simulation model of time-domain electromagnetic detection transmitter. On this basis, this research analyzed the average loss of uncontrollable rectifier circuits and inverter circuits of full-bridge converters, and calculated the maximum thermal resistance value of radiators on both sides of a high-frequency transformer. The simulation shows that the proposed method is simple and accurate. It effectively prevents the excessive design of radiators, improves the design efficiency of the system and ensures the stability of the system. Besides, it also provides a thermal simulation basis for further establishing a prototyping model and shortens the experimental process of the model establishment.

time-domain electromagnetic; loss; thermal; stability

10.3979/j.issn.1673-825X.2017.04.012

国家自然科学基金(51277189)；重庆市教育委员会科学技术研究项目(KJ1401224)

2017-02-27

2017-05-18 通讯作者：黄江波 hjbjs9088@163.com

TN707;TM46

A

1673-825X(2017)04-0500-08

Loss and thermal analysis and design of a time-domainelectromagnetic detection transmitter

(1.Electrical Engineering College，Chongqing University ,Chongqing 400044，P.R.China；2.Department of electronic and information engineering, Yangtze Normal University,Chongqing 408100，P.R.China;3.National electric power network of Chongqing supply company , Chongqing 400015，P.R.China)

黄江波(1975-)，男，重庆人，副教授，博士研究生，主要研究方向为电力电子系统及智能控制技术。E-mail:hjbjs9088@163.com。

付 炜(1991-)，女，重庆人，工学硕士，主要研究方向为电力电子装置及电磁探测仪器。E-mail: 642737969@qq.com

付志红(1966-)，男，重庆人，教授，工学博士，博士生导师，研究方向为电力电子装置及电磁探测仪器。E-mail: fuzhihong@cqu.edu.cn。

HUANG Jiangbo1,2, FU Wei3, FU Zhihong1