恒钳位电压双极脉冲电流源瞬变电磁系统外文翻译资料

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恒钳位电压双极脉冲电流源瞬变电磁系统

HAITAO ZHAO,^1;2;3 LIHUA LIU,¹ KAI WU,¹

YOUZHENG QI,^1;2 and GUANGYOU FANG¹

1电子研究所，中国科学院，中国北京

2中国科学院大学， 中国北京

3信息与电气工程学院, 山东科技大学,中国青岛

摘要 本文提出了一种双相脉冲电流源瞬变电磁系统。这个电流源由一个全桥变换器电路，一个恒钳位电压电路,和阻尼缓冲电路。双极脉冲通过全桥变换电路产生。在脉冲电流的上升沿，通过恒钳位电压电路产生的高电压被加到负载之上，这将提升脉冲电流的上升速度和帮助电流使其快速稳定。类似地，对于下降沿，恒定电压作用在负载上，产生线性下降沿，并有效地缩短关断时间。 然后使用阻尼缓冲电路来消除电流减小到零附近发生的振铃。 对其操作原理进行了描述，并提供了主要参数的计算。 仿真实验结果表明，电流源具有快速上升沿，高线性下降沿和短暂的关断时间，有助于提高电流源的发射频率和瞬态电磁系统的效率。

关键词 瞬态电磁，全桥转换器，恒压钳位，阻尼缓冲电路，关断时间

1. 介绍

瞬态电磁（TEM）方法是广泛使用的地球物理学地质框架检测方法。 广泛应用于矿产勘探，地下水勘探，土壤盐渍化调查等多个领域。 TEM系统的领域本质上是一种TEM发射器，将产生双极脉冲电流，其波形质量将影响测量和超精密检测的准确性[1,2]。 由于这种相关性，需要具有快速上升沿，高线性下降沿，短关断时间，稳定波形和无电流过冲的脉冲电流。

TEM系统的发射线圈具有大电感和小电阻。 其电源采用蓄电池，提供低电压。 如果使用全桥转换器来产生双极性脉冲电流，则是电阻电容二极管

收到2012年8月25日; 于2013年4月27日通过。中国科学院电子研究所电磁辐射与感应技术重点实验室赵海涛博士，北京，北京100190。 电子信箱：zhaohaitao816@163.com

（RCD）缓冲器或电阻电容（RC）缓冲器用于吸收感性负载的能量，并且不太可能获得有效的脉冲电流。 脉冲电流的质量与缓冲器拓扑，元件参数，负载特性和母线电压相关。 传统的缓冲器带来下降沿的阻尼振荡，其持续时间与电路参数相关。 对于感性负载，它具有较大的电感，它需要更长的关断时间; 母线电压越低，关断时间越长[3]。

方法[3]中的以共振原理加速了流出电流，但电路参数的最优解与脉冲电流的负载和幅度相关，导致输出特性较差。考虑到窄脉冲和大功率电流，成形线[4]和非线性电容器方法[5]是整流技术，但无法做到有助于产生有限宽度，稳定幅度和线性快速的电流脉冲下降。 [6]提出了高动态转换器拓扑，以获得当代电化学过程的高电流斜率（di = dt），但产生的正和负电流脉冲不一致;即脉冲持续时间和幅度不同。 [7]中产生了类似的电流脉冲波形，电流源拓扑由升压和降压转换器组成。然而，两种电路拓扑的劣势都取决于电源。在[8]中提出了电感衰减器件（IEDD）方法，其中电流下降期间电感负载能量暂时存储在电容器中。然而，电容器的极性和预充电电压将影响负载电压和关断时间，并且没有列出详细的电路。 [9-13]提出了吸收网络参数的计算方法，但没有对本文中感兴趣的问题进行讨论。 [14]中的电路是电压稳定钳的电流脉冲整形器;它可以实现短的关断时间，具有线性下降沿和快速上升沿。需要几个下降沿来将增强电容器充电到设定电压，从而影响波形的稳定性。然而，增强电容器的容量和电压仍然取决于上升沿的速度。具有高线性下降沿，短关断时间和快速上升沿的双极脉冲电流形成技术仍然是对TEM系统的场源的大量研究的主题。

本文提出了一种恒钳位电压双极脉冲电流源。 模拟和实验证明，该电路具有高线性下降沿，快速上升沿和稳定波形。 它有助于提供高质量的主要领域，并可以提高TEM发射机的传输频率和TEM系统的效率。

1. 恒钳位电压双极脉冲电流源

对于大的电感负载，可以忽略负载电阻R_L。 通过u_o(t) = Ldi_o(t) / dt，如果电流的下降沿是线性的，则需要一个常数u_o(t)。这里L，u_o(t)和i_o(t)分别表示负载电感，负载电压和负载电流。 因此，可以通过图1所示的设计获得理想的电流和电压波形。在图1中，U_S代表电源电压，U_C代表上升和下降阶段的钳位电压。

恒钳位电压电流源的电路图如图2所示。开关Q₁，Q₂，Q₃和Q₄构成全桥逆变器。 R_L和L代表传输线圈等效模型。 Q₅中的寄生二极管用作钳位二极管。 C₁的电压稳定度通过滞后控制和Q₅实现。

图1. 理想的负载电流和电压波形。 （彩色图可在线）

在下一个上升沿期间，过多的能量通过Q₅反馈到发射线圈。 R₁，R₂，Q₆和Q₇构成阻尼缓冲电路，以消除电流减小到零附近发生的振铃。 蓄电池用作系统电源。 图2中的D₁阻止了负载和蓄电池之间的路径，使电感负载的能量释放与电源无关。

2.1． 操作原理

上电后，系统首先对恒钳位电压电路充电。 当钳位电压u_c1(t)达到U_C的默认值时，系统开始工作平稳。负载电流的每个供电周期包括四个单分隔步进：电源正电源，停电，电源负电源和停电。 主要思想是在下降阶段关闭全桥转换器的所有四个开关，然后释放负载能量C₁。 如果C₁的电容足够大，则u_c1(t)大约是恒定值U_C。 恒定高压U_C等于u_AB（A和B是负载的两端）。 这意味着电流的下降沿是线性的，关断时间短。 在下一个脉冲电流的上升阶段，Q₅导通，恒定的高压U_C加到A和B上。由于U_C ≫U_S。 以下对电流源的动作状态进行说明。 相位在图1中从t₀到t₇。

图2. 恒钳位电压双极脉冲电流源电路

2.1.1. 状态1（t₀ge;tlt;t₁）。 在t₀，开关Q₁，Q₄和Q₅保持接通，高压u_c1(t)加到负载端，给负载施加正电压，D₁被切断。 C₁，Q₅，Q₁，L，R_L和Q₄构成环路。 由于u_c1(t)远大于U_S，C₁的电容是无限制的，当脉冲电流上升时，u_c1(t)可被认为是近似的恒定电压源。 负载电流从0 A快速上升，电流回路由图3（a）中的粗线表示。

在t0, u_c1(t0)=UC, 负载电流和电压由以下控制

, t₀le;tlt;t₁, (1)

, t₀le;tlt;t₁, (2)

图3（a）正电流的上升沿增强环路的t₀-t₁状态，（b）提供负载的蓄电池的t₁-t₂状态，（c）流过下降沿的t₂-t₃状态 正电流的回路。 （继续）

2.1.2. 状态2（t₁le;tlt;t₂）。 在t₁，uc1(t)le;U_{C min}，Q₅被切断，蓄电池供电。 U_S，D₁，Q₁，L，R_L和Q₄构成环路，其由图3（b）中的粗线示出。 当前从i_o（t₁）到I_o（稳定值）呈指数增长。

当t = t₁，负载由蓄电池充电。 负载电流可以获得如下

蓄电池的电压设定为U_S = 25.4 V和R_L = 0.5Omega;，感性负载设定为L = 3.7 mH，U_C = 500 V，和I_o = 30.1 A. 通过方程式(2)，当t = t₁ = 185 mu;s，u_c1(t)减小到U_{C min}，i_o(t₁) = 28.5 A.如果增强电路不起作用，电流将上升到28.5A，要求 10.6ms（通过在等式（3）中设置t₁ = 0和i_o(t₁) = 0，则获得10.6ms的结果）。 显而易见的是，上升沿电路大大缩短了电流的上升时间。

• • 1. 状态3（t₂le;tlt;t3）。 在t₂，Q₁和Q₄被切断。 由于感应电流中禁止突然变化，所以负载电流io(t)将完成流过后，使用L，R_L，Q₂和Q₅中的寄生二极管C₁和C₃中的寄生二极管对C₁充电。 该循环由图3（c）中的粗线表示。

由于钳位电压为恒定的U_C（通常远大于蓄电池电压），所以发射线圈的电压在下降阶段不会发生变化，发射电流i_o(t)将迅速线性下降。 电流降至零的时刻，Q₆和Q₇导通，阻尼缓冲电路将吸收负载能量，消除振铃现象。 反向供电阶段的工作原理与正供电阶段相同，所以在此不再赘述。

2.2. 关闭时间的理论分析

如果将u_c1(t)设置为常数U_C，则当前脉冲的下降沿波形的时域方程如下（以正下降沿为例）。 在t₂，i_o(t₂) = I_o（稳定值）：

在t3，i_o(t3) = 0 A，关机时间如下：

下降阶段的斜率将从公式 （4）：

在等式 （6）如果R_L的影响被忽略，di_o(t)/dt =-U_C/L表示一个常数，表示负载电流的线性下降。 下降沿的斜率可以通过U_C的变化进行调整，通过增强U_C可以进一步缩短关断时间。

3.电路参数分析

3.1. 负载电感和电阻的评估

这里以一个100米长的6毫米2截面电线为例， 它用作卷绕到多圈圆环之后的负载。 电感可以通过以下等式获得：

使用参数值R = D/2 = 0.45 m，N = 35，r =radic;4/pi;,和 mu;asymp;mu;0= 4pi;10^-7 H/m，可以得到

负载内阻R_L为

3.2. 电容C₁的计算

当发射电流衰减到零时，过载能量应全部存储到C₁。 为了确保系统的安全性，需要max(u_c1)lt;U_J，其中U_J表示Q₅的额定电压：

C₁应满足以下条件：

实际上，较大的C₁是优选的，以确保更好的恒定电压和更快的上电速度。

4.电路仿真

模拟电路如图2所示。仿真在实际条件下进行，因此可以将结果与实验数据进行比较

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