本發(fā)明涉及地球物理地磁探測或地質(zhì)勘探領域，更具體的，涉及一種瞬變電磁發(fā)射機無源恒壓鉗位快速關斷電路。

背景技術：

瞬變電磁法(transientelectromagneticmethod，tem)是目前一種常用的電磁探測方法，它將交變的脈沖電流注入發(fā)射線圈，產(chǎn)生一次場信號，然后利用接收線圈接收地質(zhì)體感應的二次磁場信號，最后通過處理與分析二次場信號就可以得到地下地質(zhì)體的基本信息。瞬變電磁法現(xiàn)已廣泛應用在礦產(chǎn)資源勘查及工程探測領域。

瞬變電磁法要求注入到發(fā)射線圈的雙極性脈沖電流可以瞬間關斷且無過沖和震蕩，但是由于發(fā)射線圈具有寄生電感，使線圈具有大電感儲能特性，其電流的物理關斷不能將線圈內(nèi)電流立刻減為零，而是呈指數(shù)衰減的，即發(fā)射電流總是需要一定時間才能關斷(關斷時間)，關斷之后總是伴隨著一定的過沖和震蕩，嚴重影響了早期信號的提取，極大的限制了瞬變電磁法的淺層探測能力。研究快速關斷且無過沖的雙極性脈沖電流源是目前瞬變電磁發(fā)射機技術一個重要的內(nèi)容。國內(nèi)研制的瞬變電磁發(fā)射機在性能上與國外的進口儀器相比還是有很大差距的。

中國專利cn104682763a公開了一種饋能恒壓鉗位高速關斷方法和裝置，該方法需要引入恒壓源電路，該恒壓源將影響整個發(fā)射電路的鉗位電壓的確定，因此該方法結(jié)構(gòu)復雜不利于野外探測，具有一定的局限性，且該電路需要接入阻斷二極管，影響整個電路的工作效率。

中國專利cn105743385a公開了一種瞬變電磁發(fā)射機電流波形整形電路，該電路通過在h橋模塊一端并入穩(wěn)壓二極管的方式形成，該電路波形整形有一定效果但對關斷時間的縮減和電流末期過沖震蕩問題不能達到最佳性能，且該電路需要接入阻斷二極管，影響整個電路的工作效率。

針對目前的瞬變電磁法中發(fā)射電流關斷時間過長和過沖震蕩問題，相關處理方法有基于有源恒壓鉗位的快速關斷電路和基于加速電阻的抑制過沖震蕩電路。這兩種電路只是單方面從一個角度來提升電流的波形質(zhì)量。也有提出基于諧振思想的快速關斷電路，能夠在一定程度上減小關斷時間，并且抑制過沖和震蕩，但該電路器件參數(shù)要求比較嚴格，由于實際工程應用發(fā)射電流以及線圈參數(shù)不定，導致該電路無法發(fā)揮最優(yōu)性能，所以實用價值不高。

上述的基于有源恒壓鉗位的快速關斷電路，本質(zhì)是在發(fā)射電流下降沿期間將負載電感鉗位到新的高壓電壓源上，利用高壓鉗位思想實現(xiàn)發(fā)射電流的快速關斷，但是會伴隨比較強烈的過沖和震蕩，且該電路必須在回路串入阻斷二極管，在大電流時，電路損耗很大，效率低。而基于加速電阻的抑制過沖震蕩電路本質(zhì)上是在發(fā)射電流下降到接近零時，利用開關管和加速電阻接入電路，增加震蕩的阻尼，從而抑制過沖和震蕩。

技術實現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的實施例提供了一種瞬變電磁發(fā)射機無源恒壓鉗位快速關斷電路，主要針對瞬變電磁發(fā)射機的電流發(fā)射電路，意在解決發(fā)射機發(fā)射電流的快速關斷和避免關斷時的電流過沖與震蕩。

本發(fā)明的實施例提供一種瞬變電磁發(fā)射機無源恒壓鉗位快速關斷電路，包括外部電源、主發(fā)射橋電路、鉗位電路、可變阻尼匹配吸收電路；所述主發(fā)射橋電路是由四個電子開關構(gòu)成h橋電路，h橋電路的上下橋臂之間連接發(fā)射線圈，主發(fā)射橋電路為中間的發(fā)射線圈提供可控的正向或反向電流；所述外部電源為h橋電路供電；所述鉗位電路包括兩個瞬態(tài)抑制二極管和兩個電子開關，用于為發(fā)射線圈提供無源鉗位電壓；兩個瞬態(tài)抑制二極管分別與兩個電子開關并聯(lián)后串聯(lián)在發(fā)射線圈的兩端；所述可變阻尼匹配吸收電路由兩個可調(diào)電阻分別串聯(lián)在發(fā)射線圈的兩端，兩個可調(diào)電阻分別與所述的兩個瞬態(tài)抑制二極管并聯(lián)，可變阻尼匹配吸收電路用以吸收發(fā)射線圈反向放電的電能，使電流快速下降，防止電流的過沖和震蕩。

進一步地，還包括鉗位電壓可調(diào)電路，所述鉗位電壓可調(diào)電路由多個不同鉗位電壓值的瞬態(tài)抑制二極管并聯(lián)組成，用于配合可變電阻進行關斷時間的調(diào)節(jié)；多個不同鉗位電壓值的瞬態(tài)抑制二極管并聯(lián)而形成瞬態(tài)抑制二極管組。

進一步地，所述瞬態(tài)抑制二極管組的每一個瞬態(tài)抑制二極管串聯(lián)一個開關，通過開關人為選擇不同鉗位電壓，保證了發(fā)射電路的通用性。

進一步地，所述四個電子開關可以是同一類型的電子開關，也可以是多種不同類型的電子開關。

進一步地，所述主發(fā)射橋電路的四個電子開關是igbt開關、mosfet開關或者其他可控電子開關。

進一步地，所述瞬態(tài)抑制二極管組的鉗位電壓的可選范圍為100v～800v，可選擇的鉗位電壓可以配合可調(diào)電阻進行關斷時間的調(diào)節(jié)。

進一步地，所述可調(diào)電阻的范圍可選擇100ω到2000ω，可調(diào)電阻的阻值大小影響電流關斷時間，其阻值越大，關斷時間越小。

本發(fā)明的實施例提供的技術方案帶來的有益效果是：本發(fā)明的無源恒壓鉗位快速關斷電路由四個電子開關構(gòu)成h橋，形成可控的電流發(fā)射回路，再通過可選tvs組串聯(lián)在發(fā)射線圈兩端，并配合可變電阻實現(xiàn)鉗位電壓的可調(diào)，并保證關斷時間的快速降低和防止電流尾部的過沖與震蕩。該發(fā)明用于提高瞬變電磁發(fā)射電流的質(zhì)量和提高發(fā)射機的整體性能。

附圖說明

圖1是本發(fā)明瞬變電磁發(fā)射機無源恒壓鉗位快速關斷電路的電路圖。

圖2是負載電感通過tvs放電等效圖。

圖3是負載電感通過r1放電等效圖。

圖4是不同鉗位電壓下電流關斷示意圖。

具體實施方式

為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚，下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明實施方式作進一步地描述。

請參閱圖1，本發(fā)明瞬變電磁發(fā)射機無源恒壓鉗位快速關斷電路包括外部電源、主發(fā)射橋電路、鉗位電路、可變阻尼匹配吸收電路和鉗位電壓可調(diào)電路。

所述主發(fā)射橋電路是由四個電子開關構(gòu)成h橋電路，四個電子開關分別為q1、q2、q3和q4，其分別位于h橋電路的上下橋臂，h橋電路的上下橋臂之間連接發(fā)射線圈(l和rl表示發(fā)射線圈的寄生參數(shù))，h橋電路為中間的發(fā)射線圈提供可控的正向或反向電流。電子開關q1、q2、q3和q4分別在外部驅(qū)動電路控制下按特定頻率進行開關動作，為h橋電路上下橋臂之間連接的發(fā)射線圈提供一定頻率的交流脈沖；電子開關q1、q2、q3和q4可以是同一類型的電子開關，也可以是多種不同類型的電子開關。外部電源為h橋電路供電。

鉗位電路包括第一瞬態(tài)抑制二極管(tvs，transientvoltagesuppressor)d1和第二tvsd2，其分別與電子開關q5和電子開關q6并聯(lián)后串聯(lián)在發(fā)射線圈的兩端，為發(fā)射線圈提供無源鉗位電壓；鉗位電路在供電結(jié)束時，發(fā)射線圈的電感通過第一tvsd1或第二tvsd2進行能量釋放，第一tvsd1或第二tvsd2反向?qū)ㄊ蛊鋬啥穗妷禾幱诟邏籂顟B(tài)，由于第一tvsd1或第二tvsd2兩端電壓遠大于供電電壓，因此第一tvsd1或第二tvsd2兩端電壓等效于鉗位電壓。

在較佳實施例中，所述鉗位電壓可調(diào)電路由多個不同鉗位電壓值的tvs并聯(lián)組成，用于配合可變電阻進行關斷時間的調(diào)節(jié)；多個不同鉗位電壓值的tvs并聯(lián)而形成tvs組，每一個tvs串聯(lián)一個開關，通過開關人為選擇不同鉗位電壓；可選擇的tvs組保證了發(fā)射電路的通用性。

所述可變阻尼匹配吸收電路包括兩個可調(diào)電阻r1和r2，其分別串聯(lián)在發(fā)射線圈的兩端，電阻r1和r2分別與所述的第一tvsd1和第二tvsd2并聯(lián)，可變阻尼匹配吸收電路用以吸收發(fā)射線圈反向放電的電能，使電流快速下降，防止電流的過沖和震蕩。其中r1和r2的阻值范圍可選擇100歐到2000歐，且r1和r2的阻值大小影響電流關斷時間，其阻值越大，關斷時間越小。

本發(fā)明瞬變電磁發(fā)射機無源恒壓鉗位快速關斷電路的的工作過程分為四個步驟，分別是正向供電、正向停供電、反向供電和反向停供電。

(1)正向供電：電子開關q1、q4、q5和q6均打開，發(fā)射線圈中流過正向電流，電流流向為vcc‐q1‐q5‐l‐rl‐q6‐q4。由于電子開關導通后導通電阻極小，r1和r2相當于被電子開關q5和電子開關q6短路，并不會給發(fā)射系統(tǒng)帶來額外的損耗。

(2)正向停供電：正向供電結(jié)束，電子開關q1、q4、q5和q6同時截至，發(fā)射線圈產(chǎn)生反向感應電動勢，使第一tvsd1反向?qū)?，發(fā)射線圈通過第一tvsd1進行能量的釋放。由于第一tvsd1可以將其兩端的電壓限定在高壓狀態(tài)，故發(fā)射電流可以快速下降。當電流下降到一定程度之后，第一tvsd1不再導通，第一tvsd1只能通過可調(diào)電阻r1放電，電流呈指數(shù)衰減，能有效避免過沖和震蕩。

(3)反向供電：電子開關q2、q3、q5和q6均打開，發(fā)射線圈中流過反向電流，電流流向為vcc‐q3‐q5‐l‐rl‐q6‐q2。由于電子開關導通后導通電阻極小，可調(diào)電阻r1和可調(diào)電阻r2相當于被電子開關q5和電子開關q6短路，也不會給發(fā)射系統(tǒng)打來額外的損耗。

(4)反向停供電：反向供電結(jié)束，電子開關q2、q3、q5和q6同時截至，發(fā)射線圈產(chǎn)生相對于vcc的正向感應電動勢，使第二tvsd2反向?qū)ǎl(fā)射線圈通過第二tvsd2進行能量的釋放。由于第二tvsd2可以將其兩端的電壓限定在高壓狀態(tài)，故發(fā)射電流可以快速下降。當電流下降到一定程度之后，第二tvsd2不再導通，電感只能通過可調(diào)電阻r2放電，電流呈指數(shù)衰減，能有效避免過沖和震蕩。

上述四個步驟目的是使發(fā)射線圈產(chǎn)生一定頻率的雙極性脈沖電流。正向、反向供電分別提供了發(fā)射線圈的正反向電流，即發(fā)射線圈產(chǎn)生一定頻率的雙極性脈沖電流，且該脈沖電流可以快速關斷并且有效的抑制了電流衰減尾端的過沖與震蕩現(xiàn)象

為了能清晰的說明本發(fā)明以及本發(fā)明的本質(zhì)，下面將對本發(fā)明設計的電路做詳細解釋與理論推演，該過程即展示了本發(fā)明的工作機制也展示了本發(fā)明的具體工作流程。

當正向供電結(jié)束時，電子開關q1、q4、q5和q6同時截止，發(fā)射線圈放電過程分為三個階段：

(1)第一階段(t0＜＝t＜t1)，t＝t0時，正向供電截止，發(fā)射線圈產(chǎn)生感應電動勢，第一tvsd1兩端電壓開始上升。t＝t1時刻，第一tvsd1兩端電壓上升到第一tvsd1的擊穿電壓，第一tvsd1擊穿，將電壓限定在固定值，進入階段二。這一階段本質(zhì)是發(fā)射線圈給第一tvsd1寄生結(jié)電容充電的過程。

(2)第二階段(t1＜＝t＜t2)，t＝t1時，第一tvsd1反向?qū)?，發(fā)射線圈通過第一tvsd1形成續(xù)流回路，第一tvsd1將發(fā)射線圈兩端電壓進行鉗位。t＝t2時，第一tvsd1截止，進入階段三。這一階段，發(fā)射線圈主要通過第一tvsd1放電，發(fā)射線圈放電回路等效電路，請參考圖2所示。這一階段由于第一tvsd1將電壓鉗位，故可以等效為電壓源，由基爾霍夫定律可得電感的線性微分方程：

解得微分方程得：

令i(t)＝u1/r1，即可得到第二階段電流下降時間：

其中u1＝vcc+2*δu+ud2，δu為mos管寄生二極管導通壓降，ud2為第一tvsd1鉗位電壓，由于第一tvsd1的鉗位電壓一般會選擇幾百伏，遠遠大于電源電壓，故u1可以等效為第一tvsd1的鉗位電壓。

(3)第三階段(t＞＝t2)，t＝t2時，第一tvsd1截止，發(fā)射線圈通過電阻r1放電，發(fā)射線圈放電回路等效電路，請參閱圖3所示。根據(jù)基爾霍夫定律可得電感的線性微分方程：

解得微分方程得：

其中，i1為剛進入第三階段時刻電流的大小，即：

令i(t)＝0，可得第三階段電流下降時間：

其中u2＝vcc+2*δu，δu為mos管寄生二極管導通壓降，由于電源電壓一般遠遠大于二極管導通壓降，故u2可等效為電源電壓。

發(fā)射電流的關斷時間td等于以上三階段持續(xù)的時間之和，其中，第一階段持續(xù)時間取決于發(fā)射電流大小和第一tvsd1的寄生結(jié)電容，由于第一tvsd1寄生結(jié)電容一般比較小，階段一持續(xù)時間相對于整個發(fā)射電流下降的時間可以忽略不計。故經(jīng)過三個階段的整個關斷時間td為：

通過上式可以看出，鉗位電壓u1和電阻r1可以改變發(fā)射電流的關斷時間。第一tvsd1的鉗位電壓u1決定了發(fā)射電流前期的下降速度，鉗位電壓u1越大，發(fā)射電流前期下降速度越快，該關系示意圖如圖4所示(i表示發(fā)射電流，圖中下降的那段表示關斷時間td，而橫坐標t表示電路通電發(fā)射總時間，即發(fā)射電流從發(fā)射到關斷再到關斷結(jié)束后的整個時間段)。電阻r1的大小決定了階段三的持續(xù)時間即發(fā)射電流后期的波形，阻值越大，階段三持續(xù)時間越長但可以有效的抑制過沖和震蕩。

以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。