CN104682763A - 馈能恒压钳位高速关断方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种馈能恒压钳位高速关断装置，包括恒压源电路、钳位电路和H桥逆变电路，其中所述恒压源电路在发射电流下降沿期间提供一个稳定的电压，所述钳位电路在发射电流下降沿期间，为发射天线提供电流通路，将发射天线中的能量泄放到所述恒压源电路上，使所述发射天线上的电压达到恒定源的电压值，实现电压钳位目的。以及一种瞬变电磁发射机和馈能恒压钳位高速关断方法。本发明的关断装置能够在电流下降沿期间实现高速、线性关断，尾部振荡小，有效抑制电流过冲，同时将下降沿期间发射天线中储存的能量回馈到恒压源，并在下一发射电流脉冲的上升沿释放，使电流快速上升，减少了能量损耗，同时提高了发射机的工作效率。

Description

馈能恒压钳位高速关断方法和装置
技术领域
本发明涉及地球物理勘探领域，更具体地，涉及一种馈能恒压钳位高速关断方法和装置。
背景技术
瞬变电磁法(Transient Electromagnetic Method，简写为TEM)是地球物理科学中应用非常广泛的一种地质结构探测方法，其工作原理是利用发射机在发射天线中产生双极性脉冲电流，激发一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间，测量由地下介质产生的感应电磁场(二次场)随时间的变化场，然后通过对二次场的研究，获得地下物质体的信息。近年来，基于矿产资源勘探应用和能源战略需求，瞬变电磁法得到迅猛发展。
发射电流下降沿高速关断技术是瞬变电磁发射机的关键所在。针对地下浅部探测，总是要求关断延迟时间尽量的短，这样有利于观测二次场早期信号，此外，关断延迟时间越短，对应的高频分量越丰富，其浅部探测的分辨率越高；针对深部探测，需要观察二次场晚期信号，为了提高晚期信号强度，一方面要求增加发射电流，以增强深部地质结构的电磁响应，另一方面要求关断延迟时间尽量缩短，因为关断延迟时间越短，对应的感应电动势越强，则观测的晚期信号也越强，从而有效提高***的探测深度。
瞬变电磁发射***使用的发射天线一般为单匝或多匝不接地的回线，具有电感大、电阻小的特点。因此，在发射机输出电流的下降沿，由于发射天线电感的储能作用，电流并不能立即为零，而是以指数规律下降，不满足瞬变电磁***的应用要求。
此外，现有的瞬变电磁发射机电流下降沿处理方法包括：(1)传统的RCD(Resistor&Capacitor&Diode)电路、RC(Resistor&Capacitor)电路、耗能型准谐振电路，可以在一定程度上减小关断延时，且电流下降沿的晚期线性度较好。(2)瞬态电压抑制器(Transient Voltage Suppressor，TVS)恒压钳位电路，当TVS管两端承受瞬间的高能量冲击时，能以极高的速度使其阻抗骤然降低，通过瞬间大电流，吸收发射天线中的能量，将其电压钳位在一个预定的数值上，可以实现电流下降沿高速关断。(3)齐纳稳压二极管恒压钳位电路，当齐纳稳压二极管反向并联在发射天线两端时，可以快速吸收发射天线能量，将发射天线两端电压钳位在齐纳稳压二极管的稳定电压值。
但是，上述现有技术存在如下技术缺陷：(1)传统的RCD、RC等处理方法可以为发射天线中的能量提供较为有效的泄放回路，保护电子开关不被发射天线产生的自感电压损毁，但此方法电流下降速度缓慢，且早期线性度较差，无法很好的满足瞬变电磁***的应用要求。(2)TVS方法可以实现下降沿电流的短关断延时，但是TVS不能长期承受重复性瞬时脉冲，吸收能量的积累会使其烧毁，因此只能适用于小功率发射***；此外，TVS器件存在较大的结电容，会使发射电流发生振荡。(3)齐纳稳压二极管方法可以实现发射电流快速下降，但是发射电流下降沿尾部存在过冲和振荡，而且随着使用时间的累积，齐纳稳压二极管吸收能量发热，其两端的电压会随温度变化，导致发射电流下降沿形态变化，发射电流质量不高，直接影响了***的探测效果。
发明内容
针对上述技术缺陷，本发明的主要目的之一是提供一种瞬变电磁发射机发射电流下降沿关断方法，以实现瞬变电磁发射机发射电流下降沿高速、线性关断，且尾部振荡小，从而大大提高发射电流质量，改善瞬变***地下目标勘探能力。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：
作为本发明的一个方面，本发明提供了一种馈能恒压钳位高速关断装置，包括依次串联的H桥逆变电路、钳位电路和恒压源电路，其特征在于，
所述H桥逆变电路由四个电子开关组成，通过控制所述电子开关的导通与截止实现输入到输出装置上的双极性电流的输出信号的产生；
所述恒压源电路为恒电压输出电路，用于在所述输出信号的电流下降沿期间提供一个稳定的电压，使所述输出信号的电流线性快速下降；以及
所述钳位电路包括一个电子开关和一个二极管，用于在所述输出信号的电流下降沿期间，提供电流通路将所述输出装置中的能量通过所述二极管泄放到所述恒压源电路上，使所述输出信号的电压不高于所述恒压源电路的电压值，实现电压钳位目的，并在下一个输出信号电流上升沿期间，将上一次电流下降沿期间泄放到恒压源电路上的能量释放到所述输出装置上，以实现恒压源电压处于恒定状态。
其中，所述钳位电路和H桥逆变电路中电子开关的种类包括但不限于IGBT开关、MOSFET开关和SCR开关，所述钳位电路中的二极管为所述电子开关内部的体二极管，或者专门选用的外置二极管。
其中，在所述馈能恒压钳位高速关断装置中使用不同种类的电子开关。
其中，所述恒压源电路包括升压电路、恒流充电电路、储能电路和恒压控制电路，其中，
所述升压电路为隔离升压电路，用于将所述输出信号的电压转化为具有隔离性质的电压值UH；
所述储能电路为一至多个电容器并联或串联的电路，所述电容的耐压值大于所述升压电路的电压值UH；
所述恒流充电电路位于所述升压电路与所述储能电路之间，当所述储能电路中的电压低于UH时，升压电路通过所述恒流电路以恒定的电流对所述储能电路充电，当所述储能电路中的电压值达到UH时，所述恒流电路不再对储能电路充电；以及
所述恒压控制电路为滞回比较器电路，具有两个不相等的阈值形成滞回环，通过对所述升压电路和所述储能电路电压进行比较，来控制所述电压值UH在两个阈值之间变化。
其中，所述电压值UH数值范围在几百伏到上千伏。
其中，所述钳位电路包括钳位开关电路和恒压钳位控制电路，其特征在于，
所述钳位开关电路，用于在所述输出信号的电流下降沿期间，将所述输出信号的能量通过二极管对所述恒压源电路中的储能电路放电，并在下一个输出信号的电流上升沿期间，将所述恒压源电路中储存的能量通过H桥逆变电路释放到输出电路中；以及
所述钳位控制电路，包括电阻分压电路和比较器电路，通过比较所述储能电路上的电阻分压值与参考电压，在所述输出信号的电流上升沿期间，使负责放电的电子开关按照所述比较器电路的输出电平完成放电动作；所述储能电路的能量回馈给所述H桥逆变电路，使所述输出信号的电流上升沿快速上升。
作为本发明的另一个方面，本发明提供了一种瞬变电磁发射机，所述瞬变电磁发射机包括发射机主控电路、发射天线，以及如上任意一项所述的馈能恒压钳位高速关断装置，其中，
所述发射机主控电路控制所述馈能恒压钳位高速关断装置，同时用于为所述发射机发射信号电流的产生提供时序逻辑，同时控制所述发射信号电流的重复频率、电流脉冲的宽度、占空比、同步、报警；以及
所述发射天线为所述馈能恒压钳位高速关断装置的输出装置，采用不接地回线。
作为本发明的再一个方面，本发明提供了一种如上所述的瞬变电磁发射机的馈能恒压钳位高速关断方法，包括以下步骤：
初始状态时，恒压源电路通过恒流充电电路对储能电路充电，使储能电路输出稳定电压UH；
将所述H桥逆变电路切换至输出正向方波信号状态，将钳位电路中的电子开关截止，使所述H桥逆变电路的输出电压约等于供电电源的输出电压US，所述电源开始通过二极管向发射天线供电，所述发射天线的电流以指数形式上升至稳定值；
将所述H桥逆变电路切换至输出负向方波信号状态，在所述电子开关截止时，保持所述钳位电路的电子开关的截止状态，在所述H桥逆变电路的电子开关关断瞬间，所述发射天线上的电流急剧变化，产生感应电压使所述钳位电路的二极管正向导通，从而所述发射天线中存储的能量通过所述钳位电路向所述恒压源电路泄放，此时储能电路中电压略高于UH。
其中，还包括以下步骤：
将所述H桥逆变电路切换至输出正向方波信号状态，使所述发射天线输出正向方波电流；在所述发射天线的发射电流上升期间，当所述恒压源电路通过比较电路判断所述恒压源电路输出电压大于UH时，使所述钳位电路的电子开关导通，由所述恒压源电路为所述H桥逆变电路供电，所述发射天线两端电压等于所述恒压源电路电压UH，所述发射电流在上升沿期间实现快速线性上升至稳定值，此时储能电路中的电压逐渐减小，当不高于UH时，钳位电路的电子开关关闭；
将所述H桥逆变电路切换至输出负向方波信号状态，使所述发射天线输出负向方波电流；在所述发射天线的发射电流上升期间，当所述恒压源电路通过比较电路判断所述恒压源电路输出电压大于UH时，使所述钳位电路的电子开关导通，由所述恒压源电路为所述H桥逆变电路供电，所述发射天线两端电压等于所述恒压源电路电压UH，所述发射电流在上升沿期间实现快速线性上升至稳定值，此时储能电路中的电压逐渐减小，当不高于UH时，钳位电路的电子开关关闭。
其中，通过所述H桥逆变电路在输出正、负向方波信号状态间的依次不断切换来实现所述瞬变电磁发射机方波信号的输出。
基于上述技术方案可知，本发明的技术方案具备如下有益效果：(1)本发明利用基于恒压源的恒压钳位方法，使发射天线中的电流在下降沿期间实现高速、线性关断，尾部振荡小；(2)本发明利用基于恒压源的有源恒压钳位方法，使发射电流上升沿期间快速线性上升，不再按照指数规律缓慢上升，提高了发射机的工作效率；(3)本发明将电流下降沿期间在发射天线上存储的能量反馈回发射电路，在下一个周期的上升沿期间释放回发射天线，大大减少了发射机热损耗，提高了能量利用率。
附图说明
图1是本发明的馈能恒压钳位瞬变电磁发射机主电路的拓扑结构图；
图2是本发明的瞬变电磁发射机发射电流下降沿恒压钳位示意图；
图3是本发明的瞬变电磁发射机恒压源的电路拓扑图；
图4是本发明的瞬变电磁发射机有源恒压钳位电路的拓扑结构图；
图5是本发明的瞬变电磁发射机有源恒压钳位电路的原理图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
针对现有技术的技术缺陷，本发明公开了一种瞬变电磁发射机发射电流整形方法，该方法采用馈能恒压钳位高速关断技术，可以实现发射电流短关断延时、高线性度、电流过冲及尾部振荡小的目标，能够大大提高发射电流质量，有效提高瞬变电磁***的勘探能力。
更具体地，本发明解决上述技术问题的技术方案是：
1.发射机整体技术方案：
图1为本发明的瞬变电磁发射机整体组成部分，主要包括：电源、恒压源电路、钳位电路、H桥逆变电路、发射机主控、发射天线。
其中，电源为AC-DC电源或者蓄电池组，为发射机***提供能量。恒压源电路为稳定的高压产生电路，该恒压源在发射电流下降沿期间提供一个稳定的电压，使发射电流线性快速下降，对应的发射电流与发射电压波形如图2所示。
钳位电路为基于IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)开关、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)开关或SCR(Silicon Controlled Rectifier)开关(以下统一简称为电子开关)的钳位电路，在发射电流下降沿期间，为发射天线提供电流通路，将发射天线中的能量泄放到恒压源电路上，使发射天线上的电压达到恒压源电路的电压值，实现电压钳位目的。
H桥逆变电路为4个电子开关组成的H桥电路，通过控制开关的导通与截止实现双极性电流的产生，H桥的四个电子开关可以是同一类型的电子开关，也可以是多种不同类型的电子开关。
发射机主控为发射机的控制核心，为发射电流的产生提供时序逻辑，同时控制发射电流的重复频率、电流脉冲的宽度、占空比、同步、报警等。
发射天线为不接地回线。
本发明涉及的瞬变电磁发射机，其技术核心是恒压源电路和有源恒压钳位电路，下面分别详述其技术方案。
2.恒压源电路：
图3是恒压源主电路结构拓扑图，包括：升压电路、恒流充电电路、储能电路、恒压控制电路。其工作原理如下：
其中，升压电路为隔离升压电路。升压电路将发射机电源电压转化为具有隔离性质的高压值UH，通常为几百伏到上千伏。
储能电路为一至多个电容器并联或串联电路，电容耐压值必须大于升压电路的电压值UH。
恒流充电电路在升压电路与储能电路之间，升压电路通过恒流充电电路将电容器电压充电至UH，实现储能电路的储能功能。
恒压控制电路为滞回比较器电路，滞回比较器电路具有两个不相等的阈值形成滞回环，控制电压值UH在两个阈值之间变化，通过设置两个阈值，可以控制电压值UH的纹波大小，实现对恒压源的恒定电压进行有效控制。
3.有源恒压钳位电路技术方案：
图4是本发明的有源恒压钳位电路的结构拓扑图，包括：H桥逆变电路、钳位开关电路和钳位控制电路。
其中，钳位开关电路主要由二极管和电子开关组成，其作用是在发射电流下降沿期间，发射天线中储存的能量通过二极管对恒压源储能电路放电，由于恒压源的电压为恒定值，从而实现电流下降沿恒压钳位，使发射天线中的电流线性快速关断。
钳位控制电路，主要由电阻分压以及比较器电路组成，通过比较储能电路上的电阻分压值与参考电压，在电流上升沿期间，使负责放电的电子开关按照比较器的输出电平完成放电动作。储能电路的能量回馈给H桥逆变电路，使发射电流上升沿快速上升。
图5为本发明的有源恒压钳位电路的原理图，工作原理和钳位过程如下，包括：
步骤一：初始状态，恒压源电路预先工作，将电源电压升压，并通过恒流充电电路对储能电容充电，使其电压稳定至UH。
步骤二：当电子开关Q1、Q4导通、电子开关Q2、Q3截止时，发射机输出正向方波电流，此时钳位电子开关Q5截止，不起作用，发射天线电压约等于供电电源电压，此时钳位电子开关Q5处于截止状态，电源电压US开始通过二极管D1向发射天线供电，发射电流在感性发射天线条件下按照指数上升至稳定值。
步骤三：当半桥电子开关Q1、Q4截止时，Q5仍然处于截止状态，在Q1、Q4关断瞬间，感性发射天线上的电流会急剧变化，从而产生很高的感应电压，且感应电压远大于钳位电压源的电压，使Q5中的二极管正向导通。此时，感性发射天线中存储的能量通过钳位电路开关Q5反向并联体二极管向储能电路泄放。因此，在电流下降期间，发射天线两端电压等于起钳位作用的恒压源电压UH，发射天线电流快速线性下降。当电流衰减为零时，发射天线能量转移到储能电路中。
步骤四：当电子开关Q2、Q3导通、电子开关Q1、Q4截止时，发射机输出负向方波电流。在发射电流上升期间，恒压控制电路通过电阻R3、R4对恒压源进行电阻分压，然后将分压值与参考电压Vf进行比较，使Q5导通，由恒压源为H桥逆变电路供电，电源电压不起作用，发射天线两端电压等于恒压源电压UH，发射电流在上升沿期间实现快速线性上升至稳定值。
之后，发射机恒压钳位电路重复步骤二至步骤四的过程。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种馈能恒压钳位高速关断装置，包括依次串联的H桥逆变电路、钳位电路和恒压源电路，其特征在于，
所述H桥逆变电路由四个电子开关组成，通过控制所述电子开关的导通与截止实现输入到输出装置上的双极性电流的输出信号的产生；
所述恒压源电路为恒电压输出电路，用于在所述输出信号的电流下降沿期间提供一个稳定的电压，使所述输出信号的电流线性快速下降；以及
所述钳位电路包括一个电子开关和一个二极管，用于在所述输出信号的电流下降沿期间，提供电流通路将所述输出装置中的能量通过所述二极管泄放到所述恒压源电路上，使所述输出信号的电压不高于所述恒压源电路的电压值，实现电压钳位目的，并在下一个输出信号电流上升沿期间，将上一次电流下降沿期间泄放到恒压源电路上的能量释放到所述输出装置上，以实现恒压源电压处于恒定状态。
2.根据权利要求1所述的馈能恒压钳位高速关断装置，其中所述钳位电路和H桥逆变电路中电子开关的种类包括但不限于IGBT开关、MOSFET开关和SCR开关，所述钳位电路中的二极管为所述电子开关内部的体二极管，或者专门选用的外置二极管。
3.根据权利要求2所述的馈能恒压钳位高速关断装置，其中在所述馈能恒压钳位高速关断装置中使用不同种类的电子开关。
4.根据权利要求1所述的馈能恒压钳位高速关断装置，其中所述恒压源电路包括升压电路、恒流充电电路、储能电路和恒压控制电路，其中，
所述升压电路为隔离升压电路，用于将所述输出信号的电压转化为具有隔离性质的电压值UN；
所述储能电路为一至多个电容器并联或串联的电路，所述电容的耐压值大于所述升压电路的电压值UN；
所述恒流充电电路位于所述升压电路与所述储能电路之间，当所述储能电路中的电压低于UN时，升压电路通过所述恒流电路以恒定的电流对所述储能电路充电，当所述储能电路中的电压值达到UN时，所述恒流电路不再对储能电路充电；以及
所述恒压控制电路为滞回比较器电路，具有两个不相等的阈值形成滞回环，通过对所述升压电路和所述储能电路电压进行比较，来控制所述电压值UH在两个阈值之间变化。
5.根据权利要求4所述的馈能恒压钳位高速关断装置，其中所述电压值UH数值范围在几百伏到上千伏。
6.根据权利要求1所述的馈能恒压钳位高速关断装置，其中所述钳位电路包括钳位开关电路和恒压钳位控制电路，其特征在于，
所述钳位开关电路，用于在所述输出信号的电流下降沿期间，将所述输出信号的能量通过二极管对所述恒压源电路中的储能电路放电，并在下一个输出信号的电流上升沿期间，将所述恒压源电路中储存的能量通过H桥逆变电路释放到输出电路中；以及
所述钳位控制电路，包括电阻分压电路和比较器电路，通过比较所述储能电路上的电阻分压值与参考电压，在所述输出信号的电流上升沿期间，使负责放电的电子开关按照所述比较器电路的输出电平完成放电动作；所述储能电路的能量回馈给所述H桥逆变电路，使所述输出信号的电流上升沿快速上升。
7.一种瞬变电磁发射机，所述瞬变电磁发射机包括发射机主控电路、发射天线，以及如权利要求1至6任意一项所述的馈能恒压钳位高速关断装置，其中，
所述发射机主控电路控制所述馈能恒压钳位高速关断装置，用于为所述发射机发射信号电流的产生提供时序逻辑，同时控制所述发射信号电流的重复频率、电流脉冲的宽度、占空比、同步、报警；以及
所述发射天线为所述馈能恒压钳位高速关断装置的输出装置，采用不接地回线。
8.一种如权利要求7所述的瞬变电磁发射机的馈能恒压钳位高速关断方法，包括以下步骤：
初始状态时，恒压源电路通过恒流充电电路对储能电路充电，使储能电路输出稳定电压UH；
将所述H桥逆变电路切换至输出正向方波信号状态，将钳位电路中的电子开关截止，使所述H桥逆变电路的输出电压约等于供电电源的输出电压Us，所述电源开始通过二极管向发射天线供电，所述发射天线的电流以指数形式上升至稳定值；
将所述H桥逆变电路切换至输出负向方波信号状态，在所述钳位电路中的电子开关截止时，保持所述钳位电路的电子开关的截止状态，在所述H桥逆变电路的电子开关关断瞬间，所述发射天线上的电流急剧变化，产生感应电压使所述钳位电路的二极管正向导通，从而所述发射天线中存储的能量通过所述钳位电路向所述恒压源电路泄放，此时储能电路中电压略高于UH。
9.根据权利要求8所述的馈能恒压钳位高速关断方法，其中还包括以下步骤：
将所述H桥逆变电路切换至输出正向方波信号状态，使所述发射天线输出正向方波电流；在所述发射天线的发射电流上升期间，当所述恒压源电路通过比较电路判断所述恒压源电路输出电压大于UH时，使所述钳位电路中的电子开关导通，由所述恒压源电路为所述H桥逆变电路供电，所述发射天线两端电压等于所述恒压源电路电压UH，所述发射电流在上升沿期间实现快速线性上升至稳定值，此时储能电路中的电压逐渐减小，当不高于UH时，钳位电路的电子开关关闭；
将所述H桥逆变电路切换至输出负向方波信号状态，使所述发射天线输出负向方波电流；在所述发射天线的发射电流上升期间，当所述恒压源电路通过比较电路判断所述恒压源电路输出电压大于UH时，使所述钳位电路的电子开关导通，由所述恒压源电路为所述H桥逆变电路供电，所述发射天线两端电压等于所述恒压源电路电压UH，所述发射电流在上升沿期间实现快速线性上升至稳定值，此时储能电路中的电压逐渐减小，当不高于UH时，钳位电路的电子开关关闭。
10.根据权利要求9所述的馈能恒压钳位高速关断方法，其中通过所述H桥逆变电路在输出正、负向方波信号状态间的依次不断切换来实现所述瞬变电磁发射机方波信号的输出。
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