基于感性负载的瞬变电磁发射波形控制技术

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林君, 杨宇, 胡雪岩, 王世隆. 基于感性负载的瞬变电磁发射波形控制技术. 2016, 46(5): 1718-1724
LIN Jun, YANG Yu, HU Xue-yan, WANG Shi-long. Transmitting waveform control technology for transient electromagnetic method based on inductive load. Journal of Jilin University Engineering and Technology Edition, 2016, 46(5): 1718-1724 复制到剪切板

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基于感性负载的瞬变电磁发射波形控制技术

林君, 杨宇, 胡雪岩, 王世隆

吉林大学仪器科学与电气工程学院,长春 130026

通信作者:王世隆(1983-),男,讲师,博士.研究方向:瞬变电磁探测技术及仪器.E-mail:was1100@163.com

作者简介:林君(1954-),男,教授,博士生导师.研究方向:地球物理探测技术及仪器.E-mail:lin_jun@jlu.edu.cn

基金:国家重大科学仪器开发专项项目(2011YQ30133)

摘要

提出了基于感性负载的瞬变电磁发射波形控制技术,系统以数字逻辑控制器为核心控制单元从时间上精密控制发射时序。采用恒压钳位技术对阻尼吸收电路进行了研究。提出一种新颖的关断时间测量技术,测量准确简单,同时设计了一种特殊的RCD缓冲电路。野外实验结果表明:系统所发射电流波形经过高精度控制关断时间短、下降沿线性度高、关断后无反向过冲及振荡、关断时间测量准确,电流峰值可调。

关键词: 仪器仪表技术; 瞬变电磁法; 波形控制; 感性负载; 精密时间控制; 恒压钳位; 阻尼吸收电路

中图分类号:P631 文献标志码:A 文章编号:1671-5497(2016)05-1718-07

Transmitting waveform control technology for transient electromagnetic method based on inductive load

LIN Jun, YANG Yu, HU Xue-yan, WANG Shi-long

College of Instrumentation and Electrical Engineering, Jilin University, Changchun 130026,China

Abstract

In the Transient Electromagnetic (TEM) transmitting systems, which are used in narrow places such as coal mine and tunnel, usually multi-turn coils are used. For such a big inductive load, ideal pulse current waveform is the goal for TEM transmitting system. A TEM transmitting waveform control strategy is proposed based on inductive load. Digital logic controller is used to control the transmitting timing sequence precisely. The voltage stabilized clamping circuit is adopted to study the damping resistance circuit. A novel turn-off time measurement technology is proposed and a special RCD snubber circuit is designed to improve the transmitting waveform. Field experimental results show that the transmitting current waveform has the characteristics of short turn-off time, high current falling-edge linearity, without overshoot anf oscillation, and accurate turn-off time measurement.

Keyword: technology of instrument and meter; transient electromagnetic method(TEM); waveform control; inductive load; accurate timing control; voltage stabilized clamping; damping resistance circuit

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0 引言

瞬变电磁法(Transient electromagnetic method, TEM)是一种建立在电磁感应原理基础上的时间域磁性源电磁探测方法, 具有地形影响小、穿透能力强、工作效率高等特点^[1]。TEM已经广泛地用于工程地质勘探、地下水与地热调查、灾害水探测等领域^[2]。在矿井和隧道中对灾害水超前探测时, 由于仪器装置受到探测地点空间的限制, 发射线圈体积相对于地面探测应用小很多, 常使用多匝小线圈^[3], 其具有强感性、电阻不可忽略的特点, 在大电流以及低供电电压的情况下, 传统的TEM发射系统会出现电流难以关断、关断后振荡等不良效应, 严重影响发射波形质量^{[4, 5, 6]}。

理想脉冲电流波形应该是短关断时间、关断线性下降、无过冲及振荡现象、电流上升迅速的梯形波电流。但是针对多匝小线圈负载来说, 发射电流波形控制起来十分困难。目前TEM发射电流有3种控制方式:第一种是“ 自由沿控制” , 即使用功率电阻并联到线圈两端; 第二种是使用被动式器件吸收, 如PROTEM47、重庆大学无源恒压钳位电路^[7]; 第三种是恒压钳位电路^[8], 解决了短关断时间和关断线性下降问题, 但是并没有分析阻尼吸收电路中吸收电阻如何选择以及逆变桥路缓冲电路等问题。全桥逆变电路的仿真和实验测试结果表明, 电路中存在两种电容严重影响了发射电流波形, 一种是负载及逆变电路中的杂散电容, 会与感性负载中的电感构成二阶振荡效应; 另一种是电力电子器件的RCD缓冲电路中, 电容充放电过程会造成负载中的电流反向过冲。在分析现有发射系统的基础上^{[9, 10, 11, 12, 13]}, 本文提出了基于感性负载的瞬变电磁发射波形控制技术, 以FPGA为核心控制单元, 在时间上精密控制发射系统, 使用一种新颖的关断时间测量方法准确地测量出关断时间, 然后闭环控制阻尼吸收电路在发射电流关断到零时切入, 发射波形无反向过冲及振荡、发射电流正负一致性很高, 电流前沿上升迅速, 为瞬变电磁探测结果提供了良好的数据。

1 发射系统介绍

瞬变电磁发射系统总体结构如图1所示, 由一片FPGA(Field-programmable gate array)控制, 内部包括驱动电路、全桥逆变电路、关断时间测量电路、DC-DC模块、人机交互等。控制芯片采用Altera公司的FPGA数字逻辑控制器EP3C16Q240C8N。FPGA实时采集发射电流、发射电压和关断时间等参数, 并在液晶屏上显示。FPGA内部使用100 MHz主时钟, 可以准确地将系统调整到最优工作状态。

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	图1 发射系统总体结构图Fig.1 Global structure chart of transmitting system

赵海涛等^[8]给出了使用恒压钳位高速关断技术的瞬变电磁发射电路, 该电路可通过调整负载两端电压来调整电流的关断时间。本文所述发射系统的主电路如图2所示, 由IGBT全桥电路、恒压钳位电路、阻尼吸收电路和RCD缓冲电路^{[14, 15]}组成, 低压供电电源U_L使用DC-DC模块, 高压供电电源U_H使用容量为1000 μ F、耐压为1000 V大电容。

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	图2 发射全桥逆变电路Fig.2 Transimitting full-bridge inverter circuit

2 波形控制技术

系统基于FPGA的高精度时间控制的特点来控制发射时序, 使用一种新颖的技术测量关断时间, 然后根据所测得的关断时间控制阻尼吸收电路何时切入。对吸收电阻R_T进行理论推导, 使发射线圈与阻尼吸收电路处于过阻尼或临界阻尼状态, 然后通过对 $\begin{matrix} J_{1} 、 J_{2} 、 J_{3} 、 J_{4} \end{matrix}$ 控制来消除电流反向过冲及振荡, 通过调节DC-DC的输出电压从而调整发射电流峰值。

2.1 FPGA精密时序控制技术

赵海涛等^[8]所研制的发射系统给出了该系统调整钳位电压的方法, 通过将钳位电容两端的电压与已知基准电压比较来控制Q₅。以此方法控制钳位电压电路实现较为简单, 但是每次放电量难以控制, 由于所使用电力电子开关非理想器件, 导通和截止均有一定的延时, 所以钳位电压很难稳定。发射电流下降沿表达式为:

$\begin{matrix} i_{0} (t) = - \frac{U_{H}}{R} + (I_{0} + \frac{U_{H}}{R}) e^{- R / L (t - t_{1})} (1) \end{matrix}$

那么电流下降期间的斜率为:

$\begin{matrix} \frac{d i_{0} (t)}{dt} = \frac{I_{0} R + U_{H}}{L} e^{R / Lt} (2) \end{matrix}$

式中: $i_{0} (t)$ 为随时间变化的发射电流; $\begin{matrix} I_{0} \end{matrix}$ 为发射电流最大值。

由式(1)可知, 钳位电压U_H影响发射电流下降沿的斜率, 也就是说不稳定的钳位电压会导致不同的电流下降沿斜率, 并且电流上升沿由于放电量难以控制而有很大的差异, 故此方法将造成发射电流一致性很差。

针对上述问题, 本文提出了使用FPGA对发射时序进行精密控制, 采用高频时钟, 各参数调整的精度最小是1 μ s。系统通过在发射电流上升阶段使Q₅导通固定的时间来使钳位电压稳定在一个固定的电压值, 这样可以保证电流上升沿和下降沿一致性都很高, 并且还可以迅速提升电流上升沿。文献[16]根据能量守恒定律得出了钳位电路在发射电流上升阶段放电时间t_up与钳位电压U_H之间的关系:

$\begin{matrix} \begin{matrix} t_{up}^{3} + \frac{3 L}{2 R} t_{up}^{2} - \frac{3 L^{3}}{2 R} {(\frac{I_{0}}{U_{H}})}^{2} = 0 (3) \\ 解得 : \\ t_{up} = \frac{L}{2 R} (n + \frac{1}{n} - 1) \end{matrix} \end{matrix}$

式中: $\begin{matrix} n = {(6 m^{2} + 2 \sqrt{3} m \sqrt{3 m^{2} - 1} - 1)}^{\frac{1}{3}}, m = I_{0} R / U_{H} 。 \end{matrix}$

由于系统调整的最小精度是1 μ s, 所以通过精密调整时间可以设置发射系统的钳位电压。本文所述系统采用闭环控制方法进行阻尼吸收电路的控制, 根据所测得的关断时间(最小精度为1 μ s), 当电流下降到零时准确地切入阻尼吸收电路可以使发射电流关断后无反向过冲及振荡。经过电路仿真和实验证明, 使用FPGA精密控制技术的发射电流波形质量要优于从硬件上使用电压比较器设置钳位电压的波形质量, 但是本文所提出的发射系统控制方法需满足以下条件:①所使用的低压源U_L是恒压源; ②发射线圈所处环境恒定; ③高精度时序控制。所以本文所述发射系统使用VICOR公司的DC-DC模块, 低压恒压输出, 并且控制板以FPGA为核心, 内部使用100 MHz时钟来精密控制时序。

2.2 关断时间测量技术

目前, 几乎所有的瞬变电磁发射系统都配备了关断时间测量装置。提高关断时间的测量精度对瞬变电磁发射系统有着积极的意义。针对多匝感性负载来说, 往往伴随着有杂散电容, 这样的负载就构成了一个二阶系统, 发射电流下降到零时就会伴有振荡现象, 因此都需要使用阻尼吸收电路去消除振荡现象, 那么何时切入阻尼吸收电路就要依靠关断时间的测量。关断时间较短(通常在几百μ s之内), 若要准确地测量出来, 则对测量方法、电流互感器和A/D芯片提出了较高的要求。

当前测量关断时间主要采用两种方法:一种是吉林大学周逢道等^[17]提出的通过使用高速A/D把关断阶段的电流波形采集回来, 比较两个“ 拐点” 之间的采样点来得到关断时间; 另一种是文献[[17]]中提出的使用采样保持器和精密电阻分压网络来得到线性度比较高的一部分电流关断时间来估计整体电流关断时间。但是当使用多匝小线圈负载发射电流较小时, 电流互感器输出的电压信号噪声很大, 如图3所示, 严重影响了关断时间的测量。

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	图3 电流互感器输出小电流关断沿示波器实测波形Fig.3 Real waveform of small current's fall-edge from current transformer

在实验中发现, 发射电流在关断期间感应电压形成一个近似脉冲的波形, 此脉冲宽度恰好等于发射电流关断时间, 据此提出了一种新颖的关断时间测量方法:测量感应电压的脉冲宽度从而准确地测量出电流的关断时间。感应电压经过分压网络后给入比较器的正输入端; 由于感应电压的幅值与高压钳位电容的电压值相同, 并且在未切入阻尼吸收电路前, 电流下降到零后一次感应电压是有振荡的, 所以采用对高压电容分压来设定上、下门限电压, 与一次感应电压衰减后的电压进行比较, 经异或门就可以输出一个滤除振荡的脉冲, 此脉冲宽度为感应电压的宽度。该脉冲经过光耦送入FPGA, 经测量转换为实际的关断时间。关断时间测量装置如图4所示, U_A为图2中A点电压值。

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	图4 关断时间测量短路Fig.4 Turn-off time measurement circuit

2.3 阻尼吸收电路

阻尼吸收电路的作用是为了吸收发射电流下降为零时负载中剩余的能量, 从而消除电流下降为零时的振荡现象, 可使负载电流线性下降。由于系统可以准确地测量出关断时间, 所以在电流下降为零前, 瞬间使 $\begin{matrix} Q_{6} 或 Q_{7} \end{matrix}$ 导通, 发射线圈与阻尼吸收电阻R_T构成如图5所示等效电路。电感和杂散电容中剩余的能量都由吸收电阻R_T消耗, 由于希望负载中的电流不过零且不振荡, 所以此时电路应处于过阻尼或临界阻尼状态。

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	图5 阻尼吸收电路等效工作电路Fig.5 Equivalent working circuit of damping resistance circuit

在切入阻尼吸收电路时, 杂散电容中的电压u_c< U_H, 由电路分析可得到如下方程:

$\begin{matrix} \begin{matrix} i_{c} = - c \frac{d u_{c}}{dt} (4) \\ u_{c} = - l \frac{d i_{L}}{dt} - r i_{L} (5) \end{matrix} \end{matrix}$

当开关 $Q_{6}$ 和 $Q_{7}$ 通后, 负载中的电流 $i_{L}$ 和电容上的电流 $i_{c}$ 汇流后都从 $R_{T}$ 上流过。所以就有:

$\begin{matrix} u_{c} = (i_{L} + i_{c}) R_{T} (6) \end{matrix}$

由式(4)(5)(6)可得关于负载中的电流i_L的二阶微分方程为:

$\begin{matrix} \frac{d^{2} i_{L}}{d t^{2}} + (\frac{1}{c R_{T}} + \frac{R}{L}) \frac{d i_{L}}{dt} + (\frac{R}{R_{T}} + 1) \frac{1}{Lc} i_{L} = 0 (7) \end{matrix}$

根据式(7)可以计算出:

$\begin{matrix} Δ = (\frac{R}{L} - \frac{1}{c R_{T}} + \frac{2}{\sqrt{Lc}}) (\frac{R}{L} - \frac{1}{c R_{T}} - \frac{2}{\sqrt{Lc}}) (8) \end{matrix}$

当不切入阻尼吸收电路时, 电路处于欠阻尼状态, 电感和杂散电容会形成二阶电路造成负载中电流的振荡, 通过示波器读出振荡周期, 然后根据:

$\begin{matrix} T_{OSC} = 2 π \sqrt{Lc} (9) \end{matrix}$

即可算出线圈的杂散电容c。

由于 $\begin{matrix} \frac{R}{L} - \frac{1}{c R_{T}} - \frac{2}{\sqrt{Lc}} < 0, \end{matrix}$ 所以如果想要电路处于过阻尼和临界阻尼状态, 那么就要有:

$\begin{matrix} \begin{matrix} \frac{R}{L} - \frac{1}{c R_{T}} + \frac{2}{\sqrt{Lc}} \leq 0 (10) \\ R_{T} \leq \frac{1}{R \frac{c}{L} + 2 \sqrt{\frac{c}{L}}} (11) \end{matrix} \end{matrix}$

由式(11)可知, 阻尼吸收电路的吸收电阻R_T由发射线圈的参数决定, 不同的发射线圈(如有地面上的大面积线圈、隧道与矿井的多匝小线圈)都应匹配不同的吸收电阻R_T。

本文系统目前针对矿井和隧道等狭小的空间, 实验所使用的发射线圈为128匝, 1 m× 1 m的多匝小线圈, 其等效电阻R=9.1 Ω , 电感L=48 mH。如果不切入阻尼吸收电路, 实测发射电流下降为零后振荡如图6所示。震荡周期约为60 μ s, 根据式(3)计算出杂散电容c=1.899 nF, 再根据式(6)计算出R_T≤ 2511.5 Ω 。当发射系统的阻尼吸收电阻R_T使用接近2511.5 Ω 时, 发射电流下降到零后无反向过冲及振荡, 关断后的波形得到了良好的调控。

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	图6 无切入阻尼电路负载产生的二阶振荡Fig.6 Second-order oscillating without a damping resistance

2.4 RCD缓冲电路改进

电力电子器件对电压非常敏感, 一旦外加电压超过器件所允许的最大额定值, 器件将立即损坏。在全桥逆变电路中, 由于负载电感和器件内部分布杂散电感, 关断瞬态时, IGBT集电极电流快速下降到零, 与之并接的反向恢复二极管逆向恢复时会产生一个较高的开关浪涌电压, 叠加在母线电压上。若电压尖峰过大就会发生过电压击穿, 因此需要采用关断缓冲电路吸收过电压, 并能减小关断过程的应力, 即抑制 $\begin{matrix} di / dt 。 \end{matrix}$ 在瞬变电磁功率逆变电路中常采用RCD缓冲电路来抑制和吸收浪涌电压, 效果显著。如图2所示, 当 $\begin{matrix} Q_{1} 和 Q_{4} 截止后, C_{1} 和 C_{4} \end{matrix}$ 迅速被充电至U_H, 然后 $C_{1}$ 中的电量将会经过 $R_{1}, D_{2}, C_{2}$ , 发射线圈这个回路给 $C_{2}$ 充电, 直到 $C_{1}$ 和 $C_{2}$ 的电压相同为止。但是此时正处于发射电流关断阶段, 在给 $C_{2}$ 充电时, 流经发射线圈的电流正好与发射电流方向相反, 故导致发射电流关断后的反向过冲。同理, $C_{4}$ 中的电量也会经过 $R_{4}$ , 发射线圈, $D_{3}$ 给 $C_{3}$ 充电, 方向亦是与发射电流相反。

通过使用Simulink电气仿真(如图7所示)可以看到, 电容 $C_{1}$ 和 $C_{2}$ 确实有电压充放电现象( $C_{1}$ 为实线, $C_{2}$ 为虚线), 最终 $C_{1}$ 和 $C_{2}$ 电压变为相同, 与分析一致, 并且发射电流和感应电压关断沿有反向过冲现象。

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	图7 Simulink仿真常规RCD缓冲电路Fig.7 RCD clamped circuit in Simulink

如果想消除电流反向过冲, 那么就要使RCD缓冲电路中的电容在电流关断后暂时不释放, 也就是说需要对常规RCD缓冲电路进行改进, 如图2所示, 在放电支路上加一个MOSFET, 发射电流关断后, 将其截至, 这样电容中的电量就不会被放掉, 当发射反向电流上升时再将其导通, 此时能量还可以回馈到发射线圈上, 既解决了反向过冲问题, 还进行了能量的反馈加快了发射电流波形的上升沿, 这样就让RCD缓冲电路不再损耗能量。Simulink电气仿真证实了改进后的RCD缓冲电路解决了电流反向过冲的问题, 提升了发射电流波形的质量。

3 实验结果与分析

为了考核所研究技术的性能和效果, 在长春市烧锅镇使用本文所述发射系统与PROTEM47进行了野外对比实验。发射线圈为128匝, 1 m× 1 m, 其等效电阻R=9.1 Ω , 电感L=48 mH, 发射电流峰值I₀=3 A, 本文发射系统钳位电压设定为U_H=620 V, PROTEM47发射机钳位电压为320 V。采用泰克公司隔离的电流探头A622和高压探头P5100A测试实验结果, 得到如图8所示的发射电流波形及负载两端感应电压波形的实测对比结果。图8(a)为本文发射系统的波形, 图8(b)为PROTEM47发射机的波形(蓝色为发射电流波形, 红色为感应电压波形)。

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	图8 本文发射系统与PROTEM47发射电流及负载两端感应电压实测对比结果Fig.8 Measured result comparison of transmitting current and induced voltage

图9为使用本文发射电流控制技术与使用电压比较设置钳位电压方法的实测比较图。从图9可以看到本文发射系统所发射的电流波形经过系统控制后的波形效果。

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	图9 发射电流整体波形对比图Fig.9 Overall waveform comparison of transmitting current

由实验结果可以看出, 与PROTEM47发射机及国内其他发射系统所发射的电流相比, 经过本文所述发射电流控制技术所得到的发射电流波形具有短关断时间, 关断过程线性下降、关断后无过冲及振荡现象、电流波形上升沿和下降沿均可控制、波形一致性好, 达到了预期的结果。

4 结束语

提出了基于大感性负载的瞬变电磁发射波形控制技术。为了得到接近理想脉冲电流的波形, 采用恒压钳位技术配合经过理论计算的阻尼吸收电路来缩短发射电流的关断时间, 并且关断线性下降。对发射时序在时间上精密控制, 使钳位电压稳定, 根据所测得的关断时间来精确切入阻尼吸收电路, 消除了发射电流关断后反向过冲及振荡。使用新的测量关断时间的方法可以准确地测量出关断时间, 并且该方法适用于各种瞬变电磁发射系统。采用改进的RCD缓冲电路进一步解决了关断后的振荡问题。本文所述瞬变电磁发射波形控制技术可以应用在地面、隧道和矿井等多种发射机系统, 发射电流波形质量极高, 为瞬变电磁探测提供了很好的支持。

The authors have declared that no competing interests exist.

参考文献

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. 2001, 23(2):245-251 DOI:doi:10.3969/j.issn.0253-4967.2001.02.017

The effect of two types of turn-off current on TEM responses and the correction techniques

瞬变电磁法中两种关断电流对响应函数的影响及其应对策略

Bai Deng-hai

白登海

The effect of turn-off current is a knotty problem in TEM method, especially for shallow soundings. Turn-off time is also a major parameter for evaluating the performance of instruments. Raiche (1984) discussed this problem and suggested a correction method using a ramp (linear) turn-off current expression. In this paper two types of turn-off current are discussed for the central loop configuration and a new correction strategy is suggested. According to this technique the accurate all-time apparent resistivity can be obtained in the case that the secondary and primary fields are recorded simultaneously.

关断时间是影响瞬变电磁资料处理和解释质量的一个重要因素,也是衡量TEM仪器性能的一个关键参数。提出了一种直接数值校正方案,并通过对线性和指数关断电流的校正描述了该方案的实施过程。根据文中提出的方案,只要仪器记录了一次场的衰减曲线,就可以进行较为精确的校正,并不必要假设线性衰减或指数衰减,这一结论无论是对TEM的仪器设计还是数据处理都具有重要意义。

1999

0.0

. 1999, 13(6):15-17

The research of turn-off time effect on transient electromagnetic method

瞬变电磁法中发射机关断时间的影响研究

Yu Sheng-bao , Lin Jun

于生宝, 林君

近年来 ,国内外许多文献讨论了瞬变电磁法中发射机关断时间的影响 ,文章从斜坡关断响应的推导 ,以及如何减小关断时间 ,使之接近理想阶跃函数两个方面入手 ,讨论了如何利用理想阶跃函数近似模拟斜坡关断 ,尽量减小关断时间 ,进而得出比较切合实际的解释结果

2012

0.0

. 2012, 55(2):709-716 DOI:doi:10.6038/j.issn.0001-5733.2012.02.035

Effect of transmitter current waveform on TEM response

发射电流波形对瞬变电磁响应的影响

Chen Shu-dong , Lin Jun , Zhang Shuang

陈曙东, 林君, 张爽

This paper investigates the effect of different transmitter waveforms on the transient electromagnetic (TEM) system response. For a loop target in free space, the voltage response is derived for waveforms of square, trapezoidal, half-sine and triangular shape. It is found that, for lower conductivity object, every waveform excites almost the same response during on-time and off-time, respectively. Among all waveforms, the maximum response is generated by a square pulse. For low signal to noise ratio (SNR) during off-time, square pulse is usually used for lower conductivity object detection. For higher conductivity object, response sharply decreased with the increase of the conductivity during off-time. While the responses of half-sine and triangular shapes are constant with the increase of conductivity. So we concluded that half-sine and triangular shapes are suitable for on-time detection. By properly increasing the base frequency, high SNR and high space resolution can be obtained.

本文研究了不同发射电流波形对瞬变电磁(TEM)响应的影响,利用自由空间中回线作为目标体,推导出方波、梯形波、半正弦波、三角波激励的响应.研究表明:对于低电导率目标体,同种波形激励的响应在有发射电流期间(on-time)与无发射电流期间(off-time)的幅度相近,四种波形中方波激励响应最强.由于off-time采集可以获得更高的信噪比,因而探测低电导率目标体时一般采用方波激励,采集off-time信号.对于高电导率目标体,off-time响应幅度随电导率增加而迅速下降,而半正弦与三角波激励的on-time响应幅度基本不随电导率变化,因而航空TEM可以采用半正弦与三角波进行on-time采集,并通过适当地提高激励电流的基频,以提高信噪比与空间分辨率.

2011

0.0

. 2011, 30(8):46-49 DOI:doi:10.3969/j.issn.1000-9787.2011.08.015

Passive constant pressure clamping technology for transient electromagnetic transmitter

瞬变电磁发射机的无源恒压钳位技术

Fu Yi-kui , Yang Yong-ming , Fu Zhi-hong

付一奎, 杨永明, 付志红

摘　要：传统的准谐振和电压源恒压钳位方法可以使电流关断延时减小,电流下降线性度变好。但其控制电路比较复杂,且均引入了电容,容易和线圈发生谐振而使电流下降沿两端的抖动加剧。为此提出了用TVS和SIDAC器件来实现无源恒压钳位电路。这样不仅可以使电路简单,而且由于2种器件的结电容较小,电流下降沿两端的抖动也较小。对2种器件来实现恒压钳位电路进行了分析,表明2种器件设计的电路均能满足恒压钳位的要求。实验结果表明：无源恒压钳位方法可以使电流下降线性度好,下降沿两端抖动小,且电路较为简单。

... 第二种是使用被动式器件吸收,如PROTEM47、重庆大学无源恒压钳位电路^[7] ...

2013

0.0

... 第三种是恒压钳位电路^[8],解决了短关断时间和关断线性下降问题,但是并没有分析阻尼吸收电路中吸收电阻如何选择以及逆变桥路缓冲电路等问题 ...

... 赵海涛等^[8]给出了使用恒压钳位高速关断技术的瞬变电磁发射电路,该电路可通过调整负载两端电压来调整电流的关断时间 ...

... 1 FPGA精密时序控制技术赵海涛等^[8]所研制的发射系统给出了该系统调整钳位电压的方法,通过将钳位电容两端的电压与已知基准电压比较来控制Q₅ ...

2007

0.0

... 在分析现有发射系统的基础上^{[9,10,11,12,13]},本文提出了基于感性负载的瞬变电磁发射波形控制技术,以FPGA为核心控制单元,在时间上精密控制发射系统,使用一种新颖的关断时间测量方法准确地测量出关断时间,然后闭环控制阻尼吸收电路在发射电流关断到零时切入,发射波形无反向过冲及振荡、发射电流正负一致性很高,电流前沿上升迅速,为瞬变电磁探测结果提供了良好的数据 ...

2008

0.0

. 2008, 29(5):933-936 DOI:doi:10.3321/j.issn:0254-3087.2008.05.007

WTEM fast turn-off transient electromagnetic detection system

WTEM 高速关断瞬变电磁探测系统

Fu Zhi-hong , Zhao Jun-li , Zhou Luo-wei

付志红, 赵俊丽, 周雒维

瞬变电磁测量系统是一种用于地质结构探测的地球物理探测设备,在大功率电流陡脉冲发射、高精度同步控制、大动态范围信号采集等方面,尚有许多亟待解决的问题.本文提出了一种瞬变电磁测量系统,提出了恒压钳位高速关断电路,具有关断延时短、电流下降沿线性度高和发射电流大的特点,并加速了电流的上升,改善了一次场质量;采用蓝牙技术,实现了对接收机的无线操控,改善了系统操控性能;设计了GPS同步控制器,采用温补晶振与GPS协同工作的方式,解决了GPS短时间失效的问题.在山东输油管道腐蚀探测工程中,WTEM系统做了野外和室内实验,测试表明,WTEM系统轻便、操作容易,退饱和的速度也较快,反映浅层地质信息的能力强.

2007

0.0

. 2007, 22(8):57-62 DOI:doi:10.3321/j.issn:1000-6753.2007.08.011

Research of bipolar pulse current source with high dynamic

馈能型恒压钳位双极型脉冲电流源

Du Ming-ming , Fu Zhi-hong , Zhou Luo-wei

杜茗茗, 付志红, 周雒维

在地球物理探测、PCB深孔电镀领域,需要下降沿高度线性、高度稳定、短关断延时、良好的正负向一致性的双极性脉冲电流源,但在大电感负载、小回路电阻以及低电压供电电源场合,要得到理想的脉冲电流非常困难.基于此,提出一种馈能型恒压钳位脉冲电流源电路,该电路通过对电流下降期间的负载实行恒定的高压钳位,达到加速负载电流下降的目的.分析了电路的工作原理,讨论了电路参数优化计算,从负载电流下降沿波形的线性度和稳压电容电压波动范围出发,给出了恒压电路中电感值和提升电容值的最优值选取方法,并通过仿真和实验,验证了理论分析的正确性.与已报道电路相比,该电路关断延时短,下降沿线性度高,能量消耗少,且具有脉冲上升沿提升能力,适用于要求较高的脉冲电流源场合.

2006

0.0

. 2006, 26(5):70-75 DOI:doi:10.3321/j.issn:0258-8013.2006.05.012

Two novel quasi-resonant steep current impulse rectifying circuits

两种新颖的准谐振型电流陡脉冲整形电路

Fu Zhi-hong , Zhou Luo-wei , Su Xiang-feng

付志红, 周雒维, 苏向丰

In order to decrease the turn-off time, improve the linearity of transient electromagnetic transmitter on high power project, and ameliorate the turn-off consistency, two novel quasi-resonant rectifying circuits for steep current impulse are presented, with analysis about the principle of energy-dissipation and energy-feedback circuits, in which the relationships among turn-off time, linearity and device parameters, source voltage, voltage stress are deduced. As a result, two optimizing models for device parameters are proposed. Compared with RCD snubber by PSim, Matlab and further experiments, it is concluded that proposed rectifying circuits have less turn-off time, while eliminating the current over-shot and improving the turn-off consistency, by comparison with the other published snubbers. Besides, the energy-feedback rectifying circuit can accelerate the ascending of current, the energy-dissipation rectifying circuit have the least turn-off time,while the proposed rectifying circuits are suitable for generating stabilizing and accurate steep current impulse on high inductance load.The energy-feedback rectifying circuit has been applied to transient electromagnetic transmitters.

为了减小瞬变电磁发射机电流脉冲关断延时、提高下降沿线性度、改善电流正负下降沿波形一致性，提出耗能型、馈能型两种准谐振型电流陡脉冲整形电路。推导关断延时、下降沿线性度与整形电路元件参数、供电电压、电压应力的关系，提出电路参数优化计算数学模型。通过与RCD电路的对比分析、软件仿真和实验，结果表明两种整形电路关断延时小，线性度较好，电流无过冲现象，并具有与供电电压无关的特性。其中馈能型整形电路具有上升沿提升能力，耗能型整形电路具有关断延时更小的特点，适合大电感负载情况下产生稳定的、精准的电流陡脉冲，目前耗能型整形电路已在瞬变电磁发射机中得到成功应用。

2003

0.0

2011

0.0

. 2011, 23(1):6-16 DOI:doi:10.3969/j.issn.1003-8930.2011.01.002

Multiobjective optimization design of snubbers for switching power amplifier

开关型功率放大器缓冲电路的多目标优化设

Sun Xiao-ming , Gao Meng-ping , Liu Di-chen

孙晓明, 高孟平, 刘涤尘

对开关型功率放大器(SPA)缓冲电路的选型、原理和优化设计进行研究.依据原理分析,缓冲电路的设计任务被归结为求解一具有3个目标函数的多目标优化问题(MOP).该文选择了目前解决MOP最有效的Ⅱ型非支配排序遗传算法(NSGA-Ⅱ)对以上MOP进行求解.为使求解过程更加高效,该文通过引入带前加速的拥挤距离分配(PACDA)、无重串的繁殖(RWD)、指针分组快速非支配排序(PGFNS)和带混沌因子的中间重组(CFBMR)4个策略对NSGA-Ⅱ进行了改进,提出了改进的NSGA-Ⅱ(MNSGA-Ⅱ).仿真实验表明,MNSGA-Ⅱ较之NSGA-Ⅱ更加有效和快速;而试验证明,由MNSGA-Ⅱ寻找到的缓冲电路的最优参数使设计充分达到了预期的目标.

... 本文所述发射系统的主电路如图2所示,由IGBT全桥电路、恒压钳位电路、阻尼吸收电路和RCD缓冲电路^[14,15]组成,低压供电电源U_L使用DC-DC模块,高压供电电源U_H使用容量为1000 #cod#x003bc ...

2010

0.0

2015

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... 文献[16]根据能量守恒定律得出了钳位电路在发射电流上升阶段放电时间t_up与钳位电压U_H之间的关系: ...

2009

0.0

. 2009, 39(2):541-545

Design of transmit current recorder of transient electromagnetic detection system

瞬变电磁探测发射电流波形记录单元设计

Zhou Feng-dao , Lin Jun , Zhu Kai-guang

周逢道, 林君, 朱凯光

摘　要：为削弱一次场的影响,减小探测盲区,需要记录发射电流波形。本文采用电流取样、前置放大及滤波、信号采集等技术,记录发射电流关断波形。实际测试结果表明:设计的电流记录单元能够完整、平滑地记录发射电流波形,记录的波形与示波器观测到的发射电流波形一致,电流采集精度高。

... 当前测量关断时间主要采用两种方法:一种是吉林大学周逢道等^[17]提出的通过使用高速A/D把关断阶段的电流波形采集回来,比较两个#cod#x0201c ...

... 另一种是文献[[17]]中提出的使用采样保持器和精密电阻分压网络来得到线性度比较高的一部分电流关断时间来估计整体电流关断时间 ...