一种钳位电压源时域发射电路研究与设计

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)

我国现有发射机的应用比较单一，可用于时频域等电磁探测的多功能发射机比较缺乏，在发射频率、生产工艺、原器件、测量精度上较国外先进的发射机还有一定的差距。发射机的理想发射电流波形主要是双极性脉冲波，因此在理想状态下期望时域电磁发射机有足够高的稳态直流输出，即负载电流幅值越大越好。由于大功率发射机激发的二次场可以增强晚期信号信噪比，从而增加时域电磁系统的有效探测深度，因此发射电流下降沿时间越短，即关断时间越短，接收机对早期二次场信号的获取时间越早，系统对浅部地质体的探测能力便越强[1-4]。由此可见，时域电磁接收系统所采集的二次场信号质量与激励场源强度密切相关，开发具有大电流和快速关断功能的时域电磁发射机具有重要意义。本文提出了采用钳位电压源进行时域发射电路设计的理念，并分析了发射电路的工作机理，设计了发射电路系统模型。仿真结果表明，该发射电路发射双极性脉冲波在电流输出阶段电流稳定，端口参数变化时，快速关断能力强，线性度良好，输出功率较大，可应用于时域电磁探测发射机中[5-10]。

1 钳位电压源发射机结构及机理

常见的主流发射机有两类，一类是采用Buck电路，以蓄电池为供电电源，通过升压变换使其发射电压达上百伏的中小功率发射机；另一类是以发电机作为供电电源，通过整流、逆变等电路输出发射波形的大中功率发射机。这两类发射机各有利弊：当采用蓄电池供电时，携带方便，电磁干扰小，但蓄电池容量小，长期工作时电压下降，野外工作时充电不方便，调压时只能得到蓄电池电压的倍数；当采用交流发电机作为供电电源时，则需要利用整流技术，将发电机提供的交流电转化为发射电路所需的直流电。

本文采用的时域电磁法主要是以双极性方波脉冲电流作为激励场源，并对方波脉冲电流的下降沿进行分析。高速关断发射电路即时域电磁法发射电路的基本结构如图1所示，图中：直流供电电压为Us、功率开关J1～J4组成全桥电路；功率开关J5、二极管D1和D2、电容C组成钳位电路；电容C为钳位电压源；负载为阻感性负载。由于常规开关电路的下降沿延时与电源相关，若在关断时期阻断负载与电源的续流通路，其性能就有可能得到改善。因此，在母线上设置了二极管D3阻断电源与负载电流的续流通路。

图1 时域电磁法发射电路

为了实现发射电流关断沿的快速线性下降，在发射电流关断期间，可将负载钳位于恒定的电压源Uc，该恒压源的结构如图1中的虚线框所示。稳压值Uc由滞环控制的参考电压设定：当钳位电压小于设定值Uc时，开关J5关断，电容C充电；当钳位电压大于设定值Uc时，开关J5导通，电容C放电，部分能量由电阻R0消耗。

各阶段电路的工作原理，为简化分析，把恒压源部分直接由一个直流电压源代替。图2为理想负载电流、电压波形。

图2 理想时域电磁法发射电流、电压波形

时域电磁法发射电路模式1的工作回路如图3(a)所示：t=t0～t1，这一阶段中开关管J1与J4导通；负载电流方向为正电流按指数上升至正向稳态电流值I0。

图3 时域电磁法发射电路工作模式

时域电磁法发射电路模式2的工作回路如图3(b)所示：t=t2～t3，这一阶段中，开关管J1与J4关断，负载通过D2与开关管J3的寄生二极管续流，负载对恒压电容放电，负载两端电压反向钳位至Uc，负载电流快速下降至零。电流下降沿表达式为

(1)

时域电磁法发射电路模式3的工作回路如图3(c)所示：t=t4～t5，这一阶段中，开关管J2与J3导通；负载电流方向为负，电流按指数规律下降至反向稳态电流值-I0。

时域电磁法发射电路模式4的工作回路如图3(d)所示：t=t6～t7，这一阶段中，开关管J2与J3关断，负载通过二极管D1、开关管J4的寄生二极管续流，负载两端电压被正向钳位到Uc，负载电流快速上升至零，工作状态与模式2只是电流方向与钳位电压方向相反[11-15]。

当发射电路在电流为零的阶段，相当于开路，实际中，为避免开路引起系统的不稳定，可将US输出端并联电阻当作假负载，一般选择满载功率的5%或更小。

2 发射电路参数设计

发射电路中设计所取的感性负载为5 mH。当负载电流为零后，负载能量储存到电容C中，为保证系统的安全，电容上最大电压应小于功率开关的额定耐压值UJ。

(2)

由此可得C应满足

(3)

实际情况中，为了保证稳压效果，电容C的取值应该更大，但由于电容C取值过大又会导致上电时间加长，因此合适的电容C取值是系统设计的一个难点。在时域发射电路中，感性负载L=5 mH，功率开关的额定耐压值UJ=1 200 V，钳位电压Uc=1 000 V，考虑最大输出电流50 A，将数据带入公式，可得钳位电压源的电容的最小值为28.4 μF，考虑一定裕量，取为35 μF。

为确保系统的安全运行，电阻R0的取值应使回馈电流小于开关管J5的额定工作电流IJ5

RO≻(UC-Us)/IJ5

(4)

J5额定工作电流IJ5为100 A时，最坏的工作情况为供电电压为0，将其带入公式，可计算得电阻R0的最小值为10 Ω，取为12 Ω。

3 仿真及结果分析

在设计发射电路时，引入已设计高频变压器和整流电路，引入的变压器为500 V档，负载为25 Ω，5 mH，时域电磁探测法发射电路的频率变化范围为0.5～32 Hz，发射电路频率为4 Hz。根据以上参数构建的发射电路的系统仿真模型如图4所示。在占空比稳态情况下，高频变压器原边电压、电流波形如图5所示。

图4 时域发射电路模型

由图5可知：原边输出电压幅值约为311 V，电压、电流均有因前级不控整流输出造成的100 Hz脉络脉动，且在发射电路状态变化时有一定幅值的抖动；副边电压、电流波形与此相似，仅幅值不同。

图5 高频变压器原边电压、电流

发射电路有电流输出与发射电路无电流输出时，原边电压、电流局部放大如图6所示。

图6 高频变压器原边电压、电流放大图

由以上结果可知：当发射电路有电流输出时，DC/DC全桥变换电路工作在连续模式；当发射电路无电流输出时，DC/DC全桥变换电路接假负载，电路工作在断续模式。

图7 DC/DC全桥变换电路输出电压及发射电流

由图7可知：由于没有稳压环路，DC/DC全桥变换电路输出电压需要较长时间才能达到稳态，且负载切换后输出电压不稳定；发射电路发射波形不稳定，存在电流尖峰，不能达到时域电磁法对于发射波形的要求。

当变压器为500 V档，负载为25 Ω，5 mH时，假设电压从200～500 V变化，发射桥路发射波形(4 Hz)如下。

图8 500 V档发射波形

由图8可知，根据发射20 A电流稳态波形局部放大图来分析，正向供电阶段发射电流波形非常平稳，波动不超过0.02 A，稳态误差仅为0.05 A左右，说明在恒压电容向供电系统反馈能量时，供电系统仍能稳定工作。在上升沿阶段，发射波形按指数上升，上升沿时间约为1 ms；在下降沿阶段，负载被钳位到1 000 V电压，电流下降速度很快，下降沿时间约为80 μs，与理论值81 μs相符，且具有良好的线性度，满足时域电磁探测中发射电流快速关断的要求。

4 结束语

发射机的理想发射电流波形为双极性脉冲波时，时域电磁发射机才有足够高的稳态直流输出，即负载电流幅值越大越好。本文提出了采用钳位电压源进行时域发射电路设计的理念，并分析了发射电路的工作机理，设计了发射电路系统模型。通过分析验证该发射电路发射双极性脉冲波在电流输出阶段电流稳定，端口参数变化时，快速关断能力强、精度较高、线性度良好、输出功率较大，可应用于电磁探测发射机中。

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