瞬变电磁法高动态电流陡脉冲发射电路研究

瞬变电磁法(transient electromagnetic method,TEM)要求激励脉冲电流下降沿高度线性、稳定,并具有关断延时短、无电流过冲和良好的正负向一致性等特点,全桥电路可用于产生双极性电流脉冲,但在母线电压低、负载电感量大、回路电阻小的情况下,脉冲的前后沿波形形状难以满足瞬变电磁法要求。提出恒压钳位电流陡脉冲发射电路,讨论了电路参数计算、能量回馈和损耗等问题,采用仿真和实验方法,与改进RCD缓冲器、电感能量衰减器(inductance energy decay device,IEDD)和准谐振发射电路作了对比分析。结果表明,推荐电路关断延时短,下降沿线性度高且斜率可调,电路参数最优解与负载、电源和输出电流不相关,改善了上升沿波形,减小了能量损耗。讨论阻断二极管位置对关断性能的影响并提出了在不同输出功率情况下的推荐方案。     

一种新型的双极性脉冲电流源

在瞬变电磁探测领域中,发射电流波形的质量将会直接影响到地质体感应信号的检测。瞬变电磁法理论基于阶跃波电流源激励,为了探测浅层部地质信息,要求脉冲电流关断延时短、上升下降沿线性度高,探测系统动态性能好,但由于发射线圈呈感性,在大电感负载下实现理想的阶跃脉冲是非常困难的。研究改善发射电流脉冲波形前、后沿波形质量的电路拓扑、控制方法,并研究了电磁发射机整流方案。分析了电路的工作原理,讨论了电路参数优化计算,从负载电流上升、下降沿波形的线性度和稳压电容电压波动范围出发,给出了恒流电路中电感值和钳位电容值的最优值选取方法,并通过仿真实验,验证了理论分析的正确性。与已报道电路相比,该电路结构简单,上升、下降沿线性度好,动态性能好。     

瞬变电磁发射机中的电流脉冲整形技术

如何在大功率、大电感情况下实现电流脉冲短关断延时和下降沿高线性度是瞬变电磁发射机的关键问题。文中讨论了常规吸收电路对脉冲下降沿线性度、关断延时、电压应力等方面产生的影响,计算了电路参数最优解,提出了一种准谐振型吸收电路,分析了电路参数与关断延时、下降沿线性度的关系,运用Matlab和PSim进行了计算和仿真分析。实验证明,推荐电路具有关断延时短、正负脉冲一致性好、无过冲现象等特点,适宜于TEM发射机的负载能量吸收电路。     

瞬变电磁发射机控制系统设计

瞬变电磁发射机是瞬变电磁系统的组成部分。论文介绍了瞬变电磁发射机控制系统的功能框图、硬件设计和软件设计，实现了发射电流、关断延迟时间的测量，以及内同步外同步双工作模式，发射机具有发射电流大、关断延迟时间短、下降沿线性度高的特点。实验证明，该控制系统功能完善，可靠性高，达到了设计要求。     

两种新颖的准谐振型电流陡脉冲整形电路

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。     

一种改善瞬变电磁发射电流波形的系统设计

为了减小瞬变电磁发射机发射电流的关断时间,保证发射电流关断沿的线性度,抑制关断后电流过冲,简化钳位电压电路,设计了一种简便的瞬变电磁发射系统。提出了一种利用TVS管和电容相结合的恒压钳位电路并采用传统的在负载两端并联匹配电阻的吸收方式。通过调节TVS管的稳压值,可以调节关断时间和关断沿斜率;选择直接在负载两端匹配合适电阻,保证了关断前期处于欠阻尼状态,关断后期处于临界阻尼状态,在快速关断的前提下,有效防止关断后电流过冲,达到了改善发射电流波形的目的。实验结果表明,该系统电路结构简单、稳定、易于实现,在短关断延时、关断沿线性化和关断后无过冲方面,得到明显改善。     

馈能型恒压钳位双极性脉冲电流源

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.     

梯形脉冲瞬变电磁发射机

电磁发射机是瞬变电磁探测系统的重要组成部分。论文提出了一种单极性脉冲电流发射机,介绍了该发射机的设计电路,实现了发射电流、发射电压及延迟时间的测量。该发射机具有体积小、重量轻、发射电流延迟时间短、线性度高、幅值稳定等特点。经实验测试,其各项性能基本达到了设计要求。     

浅海底瞬变电磁探测发射系统研究

研究了瞬变电磁探测发射系统中的几项关键技术,包括发射桥路的对比和选择,发射驱动电路的设计、缓冲吸收电路的设计以及过流保护电路的设计等。针对浅海底探测这一应用环境的特殊性,设计了一套浅海底拖曳式瞬变电磁探测的发射系统,给出仪器系统总体框图。系统实现了小型化、无人操作、大电流、短关断时间及小过冲电流的发射。给出了发射波形的实测结果。     

TEM发射信号质量测量算法研究

瞬变电磁法(TEM)是探测地下介质电性参数信息的重要方法。针对TEM发射机的发射电流信号质量定量分析的问题,本文详细分析了发射信号的各参数对观测结果的影响,并且提出了测量发射信号质量的算法,实现了对电流信号的各阶段时间、电流值、期望直线拟合度、关断率、过冲率等质量参数的测量。最后,设计了一套基于DSP的TEM发射信号质量测量系统。大量实验表明,该测量方法行之有效,满足对TEM发射信号的质量评价,具有很强的工程实用性。     

功率器件集成门极换流晶闸管关断特性研究

为深入研究IGCT的关断特性，该文基于实验结果，建立了IGCT关断过程中，流过IGCT电流的波形的数学模型，在此基础上进而提出用微分方程研究电路中IGCT关断特性的方法。为验证该方法的有效性，以建立的IGCT关断过程电流波形数学模型为基础。该文建立基于斩波电路的IGCT关断暂态特性的数学模型。该模型充分考虑IGCT阻容吸收回路、线路杂散电感及限流电抗器对IGCT关断暂态过电压的影响。数值仿真及试验结果表明，该模型能够较好地反映IGCT关断过程中的暂态特性。     

大功率链式STATCOM电磁暂态快速等效建模和误差评估

针对含有大量模块的大功率链式静止同步补偿器(STATCOM)存在的电磁暂态仿真速度缓慢的问题,提出一种链式STATCOM级联H桥拓扑的等效建模方法,以提高仿真效率。主要开展了以下的研究:对比分析了经典电磁暂态建模和快速等效建模的原理;推导出级联H桥换流链电压、电流之间的数学模型;结合换流链数学模型及其控制方法,设计出基于MATLAB/Simulink的仿真流程;分析主要电气量如功率模块直流电压、换流链电流和功率等的理论误差。比较精确模型和等效模型的仿真精度和仿真速度,结果表明所提的等效模型与精确模型的仿真误差小于1.2%,仿真时间缩短了80%。可见所提的大功率链式STATCOM电磁暂态快速等效建模和误差评估方法,可以在精度允许范围内大幅降低仿真时间并精确评估模型,具有较强的科学和工程应用价值。     

斜阶跃场源瞬变电磁法的全程视电阻率数值计算

推导了斜阶跃场源激励下采样零时刻在发射电流关断处的均匀导电半空间瞬变响应解析式,分析了斜阶跃场源激励下的磁场、感应电压与视电阻率的对应关系,指出用感应电压定义的全程视电阻率可能存在无解或多解的情况。提出了一种全程视电阻率直接计算方法,将发射电流关断时间作为系统参数参与视电阻率的计算,可以方便地计算出中心回线装置下测量目标的全程视电阻率。理论模型的分析与Electromagnetic Model Analysis软件计算数据的比较证明了这种数值算法的可行性。不同于常规数据校正算法,提出的全程视电阻率直接算法具有更小的误差和更快的计算速度,由于斜阶跃场源技术的成熟,该算法具有一定的应用价值。     

逆变器开关管变驱动电流技术研究

传统的逆变器驱动电路中,驱动电流是按开关管最大关断电流下的最高电压尖峰来设计且是固定的,但在最大关断电流以下的工作状态,关断电压尖峰较小,IGBT有较大的安全电压裕量,牺牲了器件效率。为此提出一种逆变器变驱动电流技术及电路。该电路的驱动关断电流随开关管关断电流的下降而上升,提高了开关管在全负载范围下的关断速度,降低了IGBT的关断损耗。设计的原则是,关断电压尖峰不会超过最大允许值,且调节是实时进行的。讨论了关断电压尖峰与关断电流、驱动电流和漏感之间的关系。在一个230 V DC输入/80 V AC交流输出/500 W额定负载的单相半桥逆变器上进行测试,结果表明采用所提驱动电路,额定负载下效率较传统驱动提升近0.7%,实现了驱动电路的优化。     

IGBT fault current limiting circuit

There is a growing market demand for insulated gate bipolar transistors (IGBTs) with high efficiency but long short-circuit withstand time. The inherent device tradeoff, however, does not allow device designers to achieve both goals simultaneously. The proposed circuits, by limiting the fault current magnitude, extends the short-circuit withstand time of high efficiency (high-gain) IGBTs. Limiting of the fault current magnitude also results in reduced turn-off voltage transients; a desirable byproduct, especially for higher current modules. Moreover, the adverse Miller effect is counterbalanced to a great degree. If the fault current is of a short transient type, the circuit restores normal operation, a unique and desirable feature for noise-prone systems. The circuit does not require an external DC supply to operate. This feature, combined with the simplicity of the circuit, makes it feasible to insert the circuit in IGBT modules or connect it as an interface between the gate driver and module