DOI: 10.11817/j.issn.1672-7207.2018.03.013

PWM斩波与恒压钳位控制瞬变电磁发射系统

于生宝，朱占山，姜健，韩哲鑫

(吉林大学 仪器科学与电气工程学院，吉林 长春，130026)

摘要：针对磁性源发射系统中波形质量差，效率低、下降沿关断慢等问题，提出一种PWM斩波和恒压钳位控制方式相结合的控制方法，并通过软件仿真比较采用该方法的发射电路与传统的H桥发射电路的波形质量和关断时间。研究结果表明：该方法通过提高发射线圈电流下降段的馈能电压，加快IGBT关断过程发射线圈电流下降速度，缩短关断时间，丰富发射波形的频率成分，有利于瞬变电磁探测。同时，馈能环节能够回收发射线圈能量，提高整个发射系统的效率。采用PWM斩波控制技术控制发射电流平顶段，平顶段发射电流斜率为0，降低了发射电流上升段和平顶段对接收信号的干扰。发射波形近似理想梯形波，与无钳位的传统发射电路相比，在发射电流为15 A的情况下，下降沿时间由500 μs缩短为100 μs，对于浅层的探测效果更好。

关键词：电磁法探测；恒压钳位；快速关断

中图分类号：TH763        文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2018)03-0606-06

A TEM system with PWM chopping and constant voltage clamp control

YU Shengbao, ZHU Zhanshan, JIANG Jian, HAN Zhexin

(Instrument Science and Electrical Engineering College of Jilin University, Changchun 130026, China)

Abstract: In order to solve the strong electromagnetic interference, low efficiency and slow turn-off speed of the magnetic source TEM system, a method with PWM chopping and constant voltage clamp control was proposed. This method was compared with the conventional H-bridge transmission circuit using the circuit simulation software. The results show that increasing the feedback voltage can speed up the coil current dropping speed, thus the IGBT turn-off transmitter coil current rate of decline improves greatly, the turn-off time reduces and the frequency component of the transmission waveform signal enriches. It is benefit to the transient electromagnetic detection. Meanwhile, the feedback circuit can recycle the transmit coil energy to improve the efficiency of the transmission system and the emission current flat top section with a PWM chopper control makes flat top section emission current slope 0. This decreases the interference of the emission current top segment and increases segment on the received signal. The emission waveform is almost close to the ideal trapezoidal wave. Compared with the traditional transmission circuit without clamping, the circuit falling edge time is shortened from 500 μs to 100 μs, which is better for the shallow detection.

Key words: detection of electromagnetic method; constant pressure clamp; high speed turn-off

瞬变电磁法是利用不接地回线或接地电偶源向地下发射一次场, 在一次场的间歇期间利用回线或电偶极观测二次涡流场的方法^[1]。最理想的探测波形是电流方波，该波形对地下目标体的激发效果最好^[2]。但是理想的电流方波不可能实现，在实际工程应用中多采用梯形波。作为整个探测过程的激发源，发射电流波形质量对接收信号的影响很大，尤其是发射信号的平顶部分对降低上升沿对接收信号的干扰有很大作用，同时要求下降段的时间尽可能短^[3]。关断时间越短，整个系统浅层探测的能力越好，过长的电流拖尾会严重影响早期二次场信号的采集，形成探测盲区^[4]。为了加快关断速度，国内外多采用2种方法：一是采用吸收电路，但该方法效率低，发热严重^[5-6]。二是将关断过程中将发射线圈的电能回馈到电源，但是野外多采用的是蓄电池供电，供电电压一般都比较低，馈能时电压不高，导致发射线圈电流下降慢。要提高供电电压，就需要多个电池串联，这不便于携带。若采用升压电路，则会降低整个系统的效率，减小电池的工作时间。同时，由于发射线圈电阻很小，采用高压电源供电在平顶段工作时间段内需要以较低的占空比工作，这将导致发射线圈的平顶段电流波动太大，难以维持整个平顶段的电流平稳。同时，在关断过程中，拖尾电流会导致采集的数据有部分失真，对后期的数据处理和地质结构反演造成不利影响^[7-8]。

1  恒压钳位控制方法

实际负载电流、电压波形如图1所示。从图1可以看出：要实现比较好的电流发射波形，理论上需要3个不同电压的电源，但在野外实际中，3个电源的方法难以实行。同时，即便使用3个电源，三者的同步控制切换也是一大难点，所以，现有的瞬变电磁发射系统多只采用1个电源供电，平顶电流波采用PWM控制实现，关断电压则与供电电压相同。

图1  实际负载电流、电压波形

Fig. 1  Actual load current and voltage waveform

现有PWM控制发射方法能够实现平顶段斜率近似为0，但电流下降速度不能满足要求^[9]。要获得更快的电流关断速度，则需要对现有的发射系统进行改进。文献[10-11]提出利用恒压钳位技术加速电流下降，发射波形如图2所示。该恒压钳位电路实际上没有斜率为0的平顶段，近似的平顶段实际仍呈e指数上升。由于平顶段dI/dt≠0，故仍会在地下感应出二次场，与关断沿的感应场混杂在一起(图2中接收信号加粗部分)，对早期接收信号产生干扰^[12]。因此，本文提出将恒压钳位技术和PWM控制技术相结合，从而实现平顶段斜率为0，下降段快速下降的发射电路。上升过程电源电压直接加在发射线圈上，平顶段采用PWM控制使得电流恒定，下降段采用恒压钳位提高馈能电压，加速下降^[13-14]。

图2  发射波形与接收信号的关系

Fig. 2  Connection between output waveform and receive signal

整个系统如图3所示，发射桥路为传统H桥发射电路，由控制器负责发射过程电流稳定。在关断过程中，发射线圈电能向高压钳位电容回馈，电流快速下降。钳位电容内能量通过馈能电感向电源回馈，维持钳位电容电压稳定，并且提高了效率。同时，电流检测负责检测馈能电感电流，保证馈能电感在整个馈能过程中不进入磁饱和状态，使整个系统稳定运行。

图3  发射电路框图

Fig. 3  Diagram of transmission circuit

2  发射电路设计及仿真

2.1  电路工作原理

发射电路原理如图4所示，其中S₁，S₂，S₃和S₄构成主发射桥路；S₅和S₇负责选定馈能路线；S₆为钳位电容C₁放电，维持电压稳定；A₁，A₂和A₃为电流、电压检测比较器；R₁为线圈等效电阻；L₁为线圈等效电感；R₂为馈能电感等效电阻；L₂为馈能电感等效电感。

图4  发射电路电路图

Fig. 4  Schematic of transmission circuit

开关管工作时序图见图5。电路整个工作过程如下。

1) 在0~T/4时间段内，其中T为发射周期，S₁~S₇全部截止，输出端AB电压U_AB为0，电流I_AB为0 A。

2) 在T/4~t₁时间段内，S₁和S₄开通，其余IGBT关断，此时电源电压E直接加在AB两端，电流经过S₁，S₄，R₁，L₁，S₅，与E形成回路，电源为L₁充电。发射线圈的电压和电流可以通过下式表示：

        (1)

3) 在t₁~T/2时间段内，S₅开通，S₁和S₄高频斩波，其余IGBT关断。当S₁和S₄开通时，电源E，S₅，S₁，S₄，R₁和L₁组成回路，电流上升。S₁和S₄关闭时，电源E，S₅，S₂，S₃和L₁组成回路，电流下降。整个过程电流平均值维持恒定。发射线圈的平均电压和电流可以用下式表示：

                (2)

其中：表示S₁和S₄的有效开关占空比，与其实际的开关占空比的关系为。

4) 在T/2~t₂时间段内，S₇开通，其余IGBT关断，R₁，L₁通过S₂，S₃与D₁，S₇或C₁构成回路，使电流快速下降，并将线圈能量转移至电容C₁中，线圈电流电压可以用下式表示：

   (3)

其中：E_C表示电容C₁两端电压。

5) 钳位电容C₁稳压过程：A₁和A₂检测流过电感L₂的电流，A₃检测电容C₁两端电压；当C₁电压高于预设值，L₂电流小于预设值时，S₆开通，电感L₂电流上升至上限，U₁输出变低，S₆关闭，电感L₂电流下降至下限，U₁输出变高，S₆开通，L₂电流再次上升。如此反复至电容C₁两端电压降低至预设值以下，S₆关闭，整个馈能过程结束。原来存储在C₁内部的能量回馈至电源，S₆工作状态见表1。

6) 3T/4~t₄时间段是负载电流负半周期间，与0~t₂负载正半周期间工作状况类似。

图5  开关管工作时序图

Fig. 5  Sequence diagram of switch

表1  S₆开关状态说明

Table 1  State of S₆

2.2  电路参数设计

整个发射系统供电电源采用28 V直流电源供电，发射线圈电阻为0.31 Ω，电感为1.06 mH，最大发射电流为20 A，钳位电压可调，以适应不同关断沿要求。

为了保证整个发射系统的发射频率高度稳定，采用FPGA作为整个系统的控制核心，发射频率可以为25，75和125 Hz，本文采用最常用的发射频率25 Hz。

令式(3)等于0，则关断时间t为

            (4)

下降时间为

            (5)

下降斜率为

       (6)

一般用表示下降沿线性程度，越接近于1，线性度越好^[15]。由式(5)和(6)可知E_C越大，关断时间Δt越小，线性度越高。

在T/2~t₂期间内，馈能过程中能量守恒，线圈能量完全释放至馈能电容中，有

         (7)

为了保证整个恒压钳位过程电压稳定，在较低的钳位电压时，电容电压仍然能保持稳定，最低钳位电压为60 V，此时，=0.91，定钳位电容最大上升电压浮动15%，根据式(7)可得，钳位电容为365 μF，实际钳位电容采用2个1 000 μF电容(450 V)串联再同2个1 nF电容串联后再并联的形式构成，根据线圈电阻由式(2)确定有效占空比为23%，为了保证馈能速度和电源电压稳定，最终馈能电感为75 μH。其中，参考电压U_Ref1和U_Ref2确定流过馈能电感的电流最大值和最小值，U_Ref3与电容C₁两端电压分压比较后确定电路稳定工作时C₁两端电压。由于该系统钳位电压和发射电流需根据实际探测环境确定，故U_Ref1，U_Ref2和U_Ref3均由滑动变阻器分压产生，电压可调，以适应不同探测要求。

根据式(1)和(2)，电流上升时间为

             (8)

代入数据计算可得上升时间约为1 ms，由此确定T/4~t₁驱动占空比。

馈能电感电流采用电阻取样会导致发热，同时浮地的问题不好解决。电磁式电流互感器带宽较小，最后经比较后选用电流为20 A、频率为100 kHz的闭环霍尔电流传感器作为电流测量器M。钳位电容C₁电压E_C上升过程遵循下式：

            (9)

式中：N为脉冲电流数。

因此，整个系统上电之后需要一段时间才能稳定工作，代入数据得出：N_max=48，即最长仅需要1 s，系统就可以稳定工作。

按照设计的参数对整个电路进行仿真，采用Matlab Simulink仿真环境，仿真结果见图6。从图6可以看出：发射电流近似为梯形波，平顶段斜率为0，关断沿陡峭。并将该电路与传统H桥发射电路进行对比，结果见图7。从图7可以看出：采用恒压钳位方式能够显著加快关断速度，仿真结果基本符合预计结果。

图6  输出电流仿真图

Fig. 6  Simulation diagram of output current

图7  不同钳位电压关断沿对比图

Fig. 7  Comparison of different turn-off edge

3  实验结果

根据以上计算过程和仿真结果，实际设计并制作该发射电路，并进行调试。发射电流调整至额定值15 A，钳位电压分别为60，100和150 V，采用隔离电流探头测量输出电流的实测结果见图8。

图8  输出电流与钳位电压波形图

Fig. 8  Waveform of output current and clamp voltage

图8表明：采用PWM斩波与恒压钳位控制发射电路能够实现平顶段电流为0 A、下降段快速下降的目的。同时，发射波形接近理想梯形波，能够有效激励地下的异常体，在使用大电容进行恒压钳位的过程中，整个发射过程钳位电压基本平稳，保证不同周期关断时长的一致性，不会对后期数据处理造成不利影响，也省去专门设计记录关断时长的电路。图9所示为不同钳位电压时电流下降的关断沿时长。从图9可以看出：电压越高，关断速度越快，线性度越高，符合式(5)和(6)。同时，由图9可知：在发射电流不变的情况下，整个关断过程由500 μs缩短至100 μs，关断速度明显加快。与文献[10-11]所采用的单纯的恒压钳位控制方法相比，实现了平顶段斜率为0的控制目的，同时适用于发射电阻小的磁性源发射系统。相比文献[15]所提到的发射系统发射电流平顶段电流由供电电源电压决定，本文所采用PWM控制方式可以省去调压环节，能有效提高系统效率。实测结果表明整个发射系统基本符合设计要求，满足实际工程需要。

图9  不同钳位电流下降沿对比图

Fig. 9  Falling current edge comparison between different clamp voltages

4  结论

1) 通过结合PWM控制和恒压钳位控制2种方法实现了一个新型的电磁发射电路，并通过实际测量验证了该方案的可行性。该电路更适用于电磁法探测，并可以为大电流、大功率瞬变电磁探测系统的电流快速下降设计提供参考。

2) 与传统的恒压钳位方式相比，通过引入PWM控制使得平顶段斜率为0，降低了电流上升沿对接收信号的干扰，同时加快了关断速度，能够使得接收系统更好地接收到浅层的二次场信号，在发射电流为15 A的情况下，发射电流的关断时间为原来的1/5。

3) 整个系统下降沿关断速率可调，可以适用于不同探测要求，同时引入了电能回馈环节，与耗能式加速关断方法相比，提高了整个发射系统的效率，能够延长野外探测时间，具有较高的工程应用价值。

参考文献：

[1] 范亮, 钱荣毅. 瞬变电磁法在煤矿采空区的应用研究[J]. 工程地球物理学报, 2011, 8(1): 29-33.

FAN Liang, QIAN Rongyi. Application of transient electromagnetic method to coal mine gobs[J]. Chinese Journal of Engineering Geophysics, 2011, 8(1): 29-33.

[2] 陈曙东, 林君, 张爽．发射电流波形对瞬变电磁响应的影响[J]. 地球物理学报, 2012, 55(2): 709-716.

CHEN Shudong, LIN Jun, ZHANG Shuang. Effect of transmitter current waveform on TEM response[J]. Chinese Journal of Geophysics, 2012, 55(2): 709-716.

[3] 付志红, 周雒维. 瞬变电磁法高动态电流陡脉冲发射电路研究[J]. 中国电机工程学报, 2008, 28(33): 44-48.

FU Zhihong, ZHOU Luowei. Research on high dynamic current steep impulse transmitting circuits for transient electromagnetic method application[J]. Proceedings of the CSEE, 2008, 28(33): 44-48.

[4] 周逢道, 唐红忠, 郭新, 等. 时间域电磁探测发射电流过冲产生原理及抑制[J]. 吉林大学学报(工学版), 2013, 43(4): 1023-1028.

ZHOU Fengdao, TANG Hongzhong, GUO Xin, et al. Current overshoot produce principle and inhibition of transmitter of time domain electromagnetic detection system[J]. Journal of Jilin University(Engineering and Technology Edition), 2013, 43(4): 1023-1028.

[5] 王鹏程, 郑建勇, 尤鋆. 对IGBT逆变器吸收电路的改进与仿真[J]. 电测与仪表, 2009, 46(10): 67-71.

WANG Pengchen, ZHENG Jianyong, YOU Jun. Improved design and simulation of snubber circuits for IGBT inverters[J]. Electrical Measurement & Instrumentation, 2009, 46(10): 67-71.

[6] CHEN Cai, PEI Xuejun, CHEN Yu, et al. The loss calculation of RCD snubber with forward and reverse recovery effects considerations[C]// IEEE, International Conference on Power Electronics and Ecce Asia. Piscataway, NJ: IEEE, 2011: 3005-3012.

[7] 覃庆炎. 发射电流波形变化对固定翼航空瞬变电磁响应的影响[J]. 地球物理学进展, 2013, 28(5): 2673-2679.

QIN Qingyan. Effect of transmitter current waveform variation on the fixed-wing airborne transient electromagnetic response[J]. Progress in Geophys, 2013, 28(5): 2673-2679.

[8] CHRISTIANSEN A V, AUKEN E, VIEZZOLI A. Quantification of modeling errors in airborne TEM caused by inaccurate system description[J]. Geophysics, 2011, 76(1): F43-F52.

[9] 付志红. 电磁探测特种电源技术的研究[D]. 重庆: 重庆大学电气工程学院, 2007: 54-59.

FU Zhihong. Research on the special power supply for electromagnetic detecting[D]. Chongqing: Chongqing University. College of Electrical Engineering, 2007: 54-59.

[10] 中国科学院电子学研究所. 馈能恒压钳位高速关断方法和装置: 中国, 201510103401.4[P]. 2015-06-03.

Insititute of Electrics, Chinese Academy of Sciences. Energy- regenerative and constant voltage clamping fast turn-off method and device: China, 201510103401.4[P]. 2015-06-03.

[11] LEBAN A, VONCINA D. Pulse current source with high dynamic[C]// Computer as a Tool. Piscataway: IEEE, 2003: 297-300.

[12] 屈路, 于生宝, 高明亮. 分布式瞬变电磁接收系统设计与实现[J].仪表技术与传感器,2013(8): 83-85.

QU Lu, YU Shengbao, GAO Mingliang. Design of receiver system for distributed transient electromagnetic[J]. Instrument Technique and Sensor, 2013(8): 83-85.

[13] 付志红, 赵俊丽, 周雒维, 等. WTEM 高速关断瞬变电磁探测系统[J]. 仪器仪表学报, 2008, 29(5): 933-936.

FU Zhihong, ZHAO Junli, ZHOU Luowei, et al. WTEM fast turnoff transient electromagnetic detection system[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2008, 29(5): 933-936.

[14] 刘丽华, 吴凯, 耿智, 等. 有源恒压钳位瞬变电磁发射机技术[J].地球物理学进展,2016, 31(1): 449-454.

LIU Lihua, WU Kai, GENG Zhi, et al. Active constant voltage clamping technology for transient electromagnetictransmitter[J]. Progress in Geophysics, 2016, 31(1): 449-454.

[15] 赵海涛, 刘丽华, 吴凯, 等. 恒压钳位高速关断瞬变电磁发射系统[J]. 仪器仪表学报, 2013, 34(4): 803-808.

ZHAO Haitao, LIU Lihua, WU Kai, et al. Voltage stabilized clamping and fast turn-off transient electromagnetic transmitting system[J]. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2013, 34(4): 803-808.

(编辑  赵俊)

收稿日期：2017-03-04；修回日期：2017-05-05

基金项目(Foundation item)：国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2013AA063904) (Project(2013AA063904) supported by the National High Technology Research and Development Program (863 Program) of China)

通信作者：于生宝，博士，教授；从事功率源技术及其应用研究；E-mail: yushengbao@jlu.edu.cn