时间域大电流航空电磁发射装置的制造方法

时间域大电流航空电磁发射装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种时间域大电流航空电磁发射装置，本发明的装置包括控制模块以及大功率主回路模块，其中大功率主回路模块包括LC谐振全桥逆变主回路以及恒功率充电主回路，LC谐振全桥逆变主回路包括电容以及发射线圈，控制模块控制恒功率充电主回路为电容进行充电，充电完成后，电容为发射线圈提供电能，在发射线圈中产生发射电流，电容放电结束后，控制模块控制发射线圈向电容反向充电，以回收利用发射线圈剩余的电能，发射线圈的电能释放完全后由恒功率充电主回路继续为电容充电，从而实现了节约剩余电能资源，减轻时间域大电流航空电磁发射装置的重量，实现大磁矩发射的目的。
【专利说明】
时间域大电流航空电磁发射装置
技术领域
[0001] 本发明涉及航空探测领域，更具体涉及一种时间域大电流航空电磁发射装置。
【背景技术】
[0002] 时间域航空电磁勘探系统(ATEM)是航空物探方法之一。ATEM的搭载在飞机平台上 的瞬变电磁勘探系统，通过飞行作业，实现对地下资源的快速探测与识别，具有低成本、速 度快、通行性好的特点，可用于地形复杂、地表被植被、沙漠等覆盖区的靶区的资源快速评 价，并可进行大面积的资源普查。时间域航空电磁勘探系统由于使用不接地供电方式（线 圈），可以通过直接增大发射磁矩增加勘探深度，提高数据质量。时间域航空电磁勘探系统 通过在发射线圈中通以时变的电流，向地下发送瞬变磁场(一次场），激发地下良导体感生 涡旋电流（二次感应电流），在电流关断期间（off-time)产生衰变的二次场（二次感应电 压），通过接收线圈以及数据采集记录各分量全波感应电压。由于接收到的二次场受地下介 质的电磁特征影响，因此对感应电压进行分析研究即可得到地下介质的介电常数、电导率 和磁导率等重要参数，从而能够根据得到的参数确定地下矿体的空间分布和形态特征。
[0003] 为了增加系统的探测深度，需要提高时间域航空电磁勘探系统的电磁发射机的发 射磁矩，为了实现大的发射磁矩，需要提高发射电流、增大发射功率实现大的发射磁矩。为 此，提供上千安培的发射电流是航空电磁发射领域的一个关键技术。但是，随着电磁发射机 的发射磁矩的增大，即功率的增大，整个时间域航空电磁勘探系统的发射系统的重量和体 积也在不断增加，受搭载发射系统的飞行平台的有效载荷限制，最大限度的提高设备利用 率，在保证发射磁矩的前提下降低设备的重量是航空电磁发射机的一个目前需要解决的技 术问题。
[0004] 时间域航空电磁发射波形虽然各有不同，但发射波形均为断续模式，即发射机发 射一个波形，暂停一段时间，然后再发射，依次循环，周期性发射。当发射机输出波形时，发 射机输出电流到发射线圈，对外输出能量，当发射机不输出波形，即接收机接收二次场信号 的时段，发射机不输出电流，对外不输出能量。按照上述发射模式，发射机间隔输出较高功 率，如果直接利用电源提供的电能进行输出，存在设备利用不充分的问题。发射天线一般采 用导线绕制线圈，其对外的电气特性等效为电感，对感性负载发射脉冲电流，存在剩余能量 回收的问题。

【发明内容】

[0005] 本发明要解决的技术问题是如何最大程度的提高发射装置的利用率，在同等重量 和体积下提供更大的发射磁矩。
[0006] 为了解决上述技术问题，本发明提供了一种时间域大电流航空电磁发射装置，所 述装置包括控制模块以及大功率主回路模块;所述大功率主回路模块包括LC谐振全桥逆变 主回路、恒功率充电主回路、信号检测电路以及驱动电路;所述LC谐振全桥逆变主回路包括 第一电容以及发射线圈，所述第一电容与所述发射线圈连接；
[0007] 所述检测电路与所述恒功率充电主回路以及所述控制模块连接，所述控制模块与 所述驱动电路连接，所述驱动电路与所述LC谐振全桥逆变主回路以及所述恒功率充电主回 路连接，所述恒功率充电主回路与所述LC谐振全桥逆变主回路连接;所述检测电路检测所 述恒功率充电主回路的母线电压，并传递给所述控制模块，由所述控制模块根据所述恒功 率充电主回路的母线电压确定是否生成停止充电命令，若所述控制模块生成所述停止充电 命令，则所述控制模块将所述停止充电命令发送给所述驱动电路，由所述驱动电路控制所 述恒功率充电主回路停止向所述LC谐振全桥逆变主回路的第一电容充电；其中所述恒功率 充电主回路的母线电压与所述第一电容两端的电压相等;所述第一电容充电完成后，其为 所述发射线圈提供电能，由所述发射线圈发射电流；
[0008] 所述检测电路与所述LC谐振全桥逆变主回路连接，所述检测电路检测所述发射线 圈中的发射电流，并发送给所述控制模块，所述控制模块根据恒功率充电主回路的母线电 压以及射线圈两端的电流确定是否生成反向充电命令，若所述控制模块生成所述反向充电 命令，则所述控制模块将所述反向充电命令发送给所述驱动电路，由所述驱动电路控制所 述发射线圈向所述第一电容进行充电。
[0009] 优选地，所述控制模块包括第一命令生成子模块，所说第一命令生成子模块判断 所述恒功率充电主回路的母线电压是否大于或等于预设值，若是，则生成所述停止充电命 令。
[0010] 优选地，所述控制模块包括第二命令生成子模块，所述第二命令生成子模块判断 所述恒功率充电主回路的母线电压是否为零并且所述发射线圈中的发射电流是否达到峰 值，若是，则所述第二命令生成子模块生成所述反向充电命令。
[0011] 优选地，所述控制模块还包括第三命令生成子模块，所述第三命令生成子模块判 断所述发射线圈两端的电流是否为零，若是，则所述第三命令生成子模块生成开始充电命 令并传递给所述驱动电路，由驱动电路控制所述恒功率充电主回路开始向所述LC谐振全桥 逆变主回路的第一电容充电。
[0012] 优选地，所述控制模块还包括第四命令生成子模块以及第五命令生成模块;所述 第一电容充电完成后，所述控制模块根据所述第一电容充电前所述发射线圈发射的电流的 波形的电极性，由第四命令生成子模块或第五命令生成模块生成正极性正弦波命令或负极 性正弦波命令给所述驱动电路，由驱动电路控制控制所述发射线圈发射正极性正弦波或负 极性正弦波;其中在当前驱动电路控制下发射的电流波形的电极性与所述第一电容充电前 所述发射线圈发射的电流的波形的电极性相反。
[0013] 优选地，所述LC谐振全桥逆变主回路还包括第一 IGBT、第二IGBT、第三IGBT、第四 IGBT、第五IGBT、第六IGBT、第一二极管、第二二极管、第三二极管、第四二极管、第五二极 管、第六二极管以及电阻；
[0014]所述第一二极管的正极连接所述第一 IGBT的发射极，所述第一二极管的负极连接 所述第一 IGBT的集电极;所述第二二极管的正极连接所述第二IGBT的发射极，所述第二二 极管的负极连接所述第二IGBT的集电极;所述第三二极管的正极连接所述第三IGBT的发射 极，所述第三二极管的负极连接所述第三IGBT的集电极;所述第四二极管的正极连接所述 第四IGBT的发射极，所述第四二极管的负极连接所述第四IGBT的集电极;所述第五二极管 的正极连接所述第五IGBT的发射极，所述第五二极管的负极连接所述第五IGBT的集电极； 所述第六二极管的正极连接所述第六IGBT的发射极，所述第六二极管的负极连接所述第六 IGBT的集电极；
[0015]所述第五IGBT的集电极连接所述恒功率充电主回路，所述第五IGBT的发射极连接 所述第一电容的一端以及所述第六IGBT的集电极，所述第一电容的另一端连接所述恒功率 充电主回路;所述第六IGBT的发射极连接所述第一 IGBT的集电极以及第三IGBT的集电极， 所述第一 IGBT的发射极连接所述发射线圈的一端以及所述第二IGBT的集电极，所述第二 IGBT的发射极连接所述第一电容的另一端;所述发射线圈的另一端连接所述电阻的一端， 所述电阻的另一端连接所述第三IGBT的发射极以及第四IGBT的集电极;所述第四IGBT的发 射极连接所述第一电容的另一端。
[0016] 优选地，所述恒功率充电主回路包括电源、高频逆变电路、高频变压器以及高频整 流电路;所述高频变压器包括正边绕组以及若干个副边绕组；
[0017] 所述电源与所述高频逆变电路连接，所述高频逆变电路将所述电源的直流电源转 换为高频交流电；
[0018] 所述正边绕组与所述高频逆变电路连接，所述高频整流电路与所述副边绕组连 接，所述高频变压器将所述高频交流电升压到预定电压值，所述高频整流电路将若干个副 边绕组的输出进行整流后串联在一起。
[0019] 优选地，所述高频逆变电路包括第七IGBT、第八IGBT、第九IGBT、第十IGBT、第七二 极管、第八二极管、第九二极管、第十二极管、第二电容、第三电容、第四电容、第五电容以及 第六电容；
[0020] 所述第七IGBT的集电极与所述第七二极管的负极、第三电容的一端、所述第八 IGBT的集电极、第八二极管的负极以及第四电容的一端连接；
[0021]所述第七IGBT的发射极与所述第九IGBT的集电极、第七二极管的正极、第三电容 的另一端、第九二极管的负极、第五电容的一端以及所述正边绕组的一端连接;所述正边绕 组的另一端与所述第二电容的一端连接；
[0022]所述第八IGBT的发射极与所述第十IGBT的集电极、所述第八二极管的正极、所述 第四电容的另一端、所述第十二极管的负极、第六电容的一端以及所述第二电容的另一端 连接；
[0023]所述第九IGBT的发射极与所述第九二极管的正极、第五电容的另一端、第十IGBT 的发射极、第十二极管的正极以及第六电容的另一端连接。
[0024] 优选地，所述高频整流电路包括若干个整流单元以及一个电感，各个所述整流单 元串联连接；
[0025] 每个所述整流单元均均包括四个二极管，其中每两个二极管串联形成两个支路， 并且所述两个支路并联连接形成整流单元，每个所述副边绕组分别与一个所述整流单元连 接，并且所述副边绕组的两端分别连接在对应的整流单元的两个支路的两个二极管串联连 接的部位；
[0026] 所述电感的一端连接一个所述整流单元的二极管的负极，所述电感的另一端连接 所述第一电容的一端。
[0027] 优选地，所述控制模块包括恒功率充电控制子模块;所述检测电路检测还检测所 述恒功率充电主回路的电流；
[0028] 所述恒功率充电控制子模块根据所述检测电路检测得到的恒功率充电主回路的 母线电压和电流计算得到所述恒功率充电主回路的输出功率，并根据所述恒功率充电主回 路的输出功率与预定功率的差值生成相应脉冲宽度的控制信号，并利用所述控制信号控制 所述第七IGBT、第八IGBT、第九IGBT以及第十IGBT的导通与关断，实现所述恒功率充电主回 路的恒功率输出。
[0029] 本发明提供了一种时间域大电流航空电磁发射装置，本发明的装置包括控制模块 以及大功率主回路模块，其中大功率主回路模块包括LC谐振全桥逆变主回路以及恒功率充 电主回路，LC谐振全桥逆变主回路包括电容以及发射线圈，控制模块控制控制恒功率充电 主回路为电容进行充电，充电完成后，电容为发射线圈提供电能，在发射线圈中产生发射电 流，电容放电结束后，控制模块控制发射线圈向电容反向充电，以回收利用发射线圈剩余的 电能，发射线圈的电能释放完全后由恒功率充电主回路继续为电容充电，从而实现了节约 剩余电能资源，减轻时间域大电流航空电磁发射装置的重量，实现大磁矩发射的目的。同时 本发明还实现了双极性半正弦波电磁发射，利用LC谐振原理产生正弦波形，通过全桥逆变 技术实现波形的分段控制，实现波形产生与能量回收的功能。利用恒功率控制技术，为谐振 电容补充能量，使电源的利用率达到最优，减小发射系统的重量和体积，保证整个航空电磁 发射装置的重量不超过可以承受的范围的同时，最大程度的增大发射磁矩。
【附图说明】
[0030] 为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现 有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本 发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以 根据这些附图获得其他的附图。
[0031] 图1是本发明的一个较佳实例的时间域大电流航空电磁发射装置的结构示意图；
[0032] 图2是本发明的大功率主回路模块中LC谐振全桥逆变主回路与恒功率充电主回路 的连接示意图；
[0033] 图3是本发明的LC谐振全桥逆变主回路的电路图；
[0034]图4是本发明的恒功率充电主回路的电路图；
[0035]图5A、5B、5C是本发明中25HZ、75HZ、125HZ的双极性正弦波的波形示意图；
[0036] 图6是现有技术中带限流电阻的高压直流电源的电路图；
[0037] 图7是现有技术中谐振充电电源的电路图；
[0038] 图8是现有技术中高频变换器充电电源的电路图；
[0039]图9A、9B是本发明中在25HZ波形下的充电示意图；
[0040]图10A、10B是本发明中在75HZ波形下的充电示意图；
[00411图11A、11B是本发明中在125HZ波形下的充电示意图；
[0042] 图12是本发明中恒功率充电主回路的恒功率控制示意图。
【具体实施方式】
[0043] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发 明，但不能用来限制本发明的范围。
[0044] -种时间域大电流航空电磁发射装置，如图1所示，所述装置包括控制模块以及大 功率主回路模块;所述大功率主回路模块包括LC谐振全桥逆变主回路、恒功率充电主回路、 信号检测电路以及驱动电路;所述LC谐振全桥逆变主回路包括第一电容以及发射线圈，所 述第一电容与所述发射线圈连接。
[0045] 如图1所示，所述检测电路与所述恒功率充电主回路以及所述控制模块连接，所述 控制模块与所述驱动电路连接，所述驱动电路与所述LC谐振全桥逆变主回路以及所述恒功 率充电主回路连接，所述恒功率充电主回路与所述LC谐振全桥逆变主回路连接;所述检测 电路检测所述恒功率充电主回路的母线电压，并传递给所述控制模块，由所述控制模块根 据所述恒功率充电主回路的母线电压确定是否生成停止充电命令，若所述控制模块生成所 述停止充电命令，则所述控制模块将所述停止充电命令发送给所述驱动电路，由所述驱动 电路控制所述恒功率充电主回路停止向所述LC谐振全桥逆变主回路的第一电容充电；其中 所述恒功率充电主回路的母线电压与所述第一电容两端的电压相等;所述第一电容充电完 成后，其为所述发射线圈提供电能，在所述发射线圈中产生发射电流。
[0046] 所述检测电路与所述LC谐振全桥逆变主回路连接，所述检测电路检测所述发射线 圈中的发射电流，并发送给所述控制模块，所述控制模块根据恒功率充电主回路的母线电 压以及射线圈中的发射电流确定是否生成反向充电命令，若所述控制模块生成所述反向充 电命令，则所述控制模块将所述反向充电命令发送给所述驱动电路，由所述驱动电路控制 所述发射线圈向所述第一电容进行充电。
[0047] 其中，所述控制模块包括第一命令生成子模块，所说第一命令生成子模块判断所 述恒功率充电主回路的母线电压是否大于或等于预设值，若是，则生成所述停止充电命令。
[0048] 所述控制模块包括第二命令生成子模块，所述第二命令生成子模块判断所述恒功 率充电主回路的母线电压是否为零并且所述发射线圈中的发射电流是否达到峰值，若是， 则所述第二命令生成子模块生成所述反向充电命令。
[0049]所述控制模块还包括第三命令生成子模块，所述第三命令生成子模块判断所述发 射线圈中的发射电流是否为零，若是，则所述第三命令生成子模块生成开始充电命令并传 递给所述驱动电路，由驱动电路控制所述恒功率充电主回路开始向所述LC谐振全桥逆变主 回路的第一电容充电。
[0050]所述控制模块还包括第四命令生成子模块以及第五命令生成模块;所述第一电容 充电完成后，所述控制模块根据所述第一电容充电前所述发射线圈发射的电流的波形的电 极性，由第四命令生成子模块或第五命令生成模块生成正极性正弦波命令或负极性正弦波 命令给所述驱动电路，由驱动电路控制控制所述发射线圈发射正极性正弦波或负极性正弦 波;其中在当前驱动电路控制下发射的电流波形的电极性与所述第一电容充电前所述发射 线圈发射的电流的波形的电极性相反。
[0051]上述装置能够回收利用发射线圈剩余的电能，发射线圈的电能释放完全后由恒功 率充电主回路继续为电容充电，从而实现了节约剩余电能资源，减轻时间域大电流航空电 磁发射装置的重量，实现大磁矩发射的目的。同时上述装置还实现了双极性半正弦波电磁 发射，利用LC谐振原理产生正弦波形，通过全桥逆变技术实现波形的分段控制，实现波形产 生与能量回收的功能。利用恒功率控制技术，为谐振电容补充能量，使电源的利用率达到最 优，减小发射系统的重量和体积，保证整个航空电磁发射装置的重量不超过可以承受的范 围的同时，最大程度的增大发射磁矩。
[0052]进一步地，如图1所示，大功率主回路模块还包括发电机，发电机与恒功率充电主 回路一级信号检测电路连接;信号检测电路检测发电机的电压，并传递给控制模块。控制模 块根据发电机的电压判断是否超压，若超压就发出警报或停止发电机发电。
[0053]进一步地，如图1所示，控制模块包括DSP控制单元，上述控制模块的控制操作均由 DSP控制单元完成。控制模块还包括同步电路以及远程控制接口；时间域大电流航空电磁发 射装置还包括操作接口模块，操作接口模块包括外部同步子模块、GPRS子模块、系统控制命 令子模块、配置信息配置子模块以及装置状态输出子模块。操作接口模块对外提供控制和 信息输出接口，通过操作接口模块可实现发射波形的外部同步、远程操作、远程状态监控等 功能。DSP控制单元采用的是TI公司生产的TMS320F28335。大功率主回路模块将飞机机载电 源或发电机提供的电能变换为所需的发射波形输出到发射天线中。
[0054] 进一步地，如图3所示，所述LC谐振全桥逆变主回路还包括第一IGBT S1、第二IGBT S2、第三IGBT S3、第四IGBT S4、第五IGBT S5、第六IGBT S6、第一二极管D1、第二二极管D2、 第三二极管D3、第四二极管D4、第五二极管D5、第六二极管D6以及电阻R。
[0055]所述第一二极管D1的正极连接所述第一IGBT S1的发射极，所述第一二极管D1的 负极连接所述第一IGBT S1的集电极;所述第二二极管D2的正极连接所述第二IGBT S2的发 射极，所述第二二极管D2的负极连接所述第二IGBT S2的集电极;所述第三二极管D3的正极 连接所述第三IGBT S3的发射极，所述第三二极管D3的负极连接所述第三IGBT S3的集电 极;所述第四二极管D4的正极连接所述第四IGBT S4的发射极，所述第四二极管D4的负极连 接所述第四IGBT S4的集电极;所述第五二极管D5的正极连接所述第五IGBT S5的发射极， 所述第五二极管D5的负极连接所述第五IGBT S5的集电极;所述第六二极管D6的正极连接 所述第六IGBT S6的发射极，所述第六二极管D6的负极连接所述第六IGBT S6的集电极。 [0056]所述第五IGBT S5的集电极连接所述恒功率充电主回路，即连接恒功率充电主回 路的电流输入端，恒功率充电主回路的充电电压为Udc，所述第五IGBT S5的发射极连接所述 第一电容C1的一端以及所述第六IGBT S6的集电极，所述第一电容C1的另一端连接所述恒 功率充电主回路;所述第六IGBT S6的发射极连接所述第一IGBT S1的集电极以及第三IGBT S3的集电极，所述第一IGBT S1的发射极连接所述发射线圈L的一端以及所述第二IGBT S2 的集电极，所述第二IGBT S2的发射极连接所述第一电容Cl的另一端;所述发射线圈L的另 一端连接所述电阻R的一端，所述电阻R的另一端连接所述第三IGBT S3的发射极以及第四 IGBT S4的集电极;所述第四IGBT S4的发射极连接所述第一电容C1的另一端。
[0057] LC谐振全桥逆变主回路由谐振电容组(如图2所示）、逆变桥（由S1、S2、S3、S4、D1、 D2、D3、D4组成）、发射天线(包括L、R)以及直流电源部分组成。31、32、33、34、35、36为大功率 IGBT模块，每个IGBT模块携带一个反并联二极管。S1-S4组成全桥电路，S5、S6分别控制谐振 回路与能量补充回路的导通与关断。谐振电容与发射线圈构成LC谐振，通过控制开关可改 变接入电路中的电容容量，进而改变输出频率。四个IGBT构成逆变桥，逆变桥与谐振电容之 间通过一个IGBT，即S6连接，控制模块通过组合不同的开关模态实现波形的分段控制。 [0058] DSP控制单元产生的逻辑控制信号可以有效控制IGBT的导通与截止。当S5导通、S6 关断时，直流电源为谐振电容充电；当S5关闭、S6导通时，谐振电容通过H桥与发射线圈构成 谐振回路。当S1、S4导通时，负载电流为正，当S2、S3导通时，负载电流为负，得到正负交替的 双极性波形。
[0059] 具体地，LC谐振全桥逆变主回路工作原理为：
[0060] 1、开关S5导通、S6关闭，电源正向供电，对谐振电容C1充电；
[0061] 2、开关S5截止，S6、S1、S4导通时，电源停供电，电容C1与发射线圈L和R构成谐振回 路，电容C1通过S6、S1、S4对线圈电感放电，在发射线圈中产生正极性正弦电流波形，电容C1 中的电场能转换为发射线圈中的磁场能，电容电压逐渐降低，回路电流按正弦曲线上升。 [0062] 3、当电容两端电压降为零，回路电流达到峰值时，关闭开关S6、S1、S4,则电感L中 剩余能量通过S3、S2、S6的反并联二极管与电容C1构成回路，开始对C1进行充电，电感上的 电流逐渐减小，电容两端电压逐渐增加；
[0063] 4、线圈L中的电流降低为零，发射线圈保持断开状态。由于谐振回路内阻以及电磁 场发射损耗的存在，谐振后需要为谐振电容C1补充能量，此时打开充电开关S5,直流电源将 电容两端电压提升到谐振所需电压；
[0064] 6、谐振电容充电完成时，完成一个正极性正弦波的发射周期。此时重复上面步骤 中的1-4,将全桥发射电路中的导通开关由SI、S4改为S2、S3，则发射一个负极性正弦波电 流，完成负极性正弦波发射。
[0065] 7、至此，一个完整的脉冲发射周期完成。
[0066] 每个发射周期内，谐振电容与电感(发射天线）交换一次能量，即，谐振开始前，电 容已经完成能量补充，电压为预设的电压，通过控制组合IGBT的开关状态，控制谐振电容与 电感发射谐振。首先，电容将能量转移到电感中，当电容中的能量全部转移到电感中时，此 时断开谐振回路，电感中的能量通过IGBT的反并联二极管向电容充电，能量被收集回谐振 电容中。基于IGBT的全桥逆变发射回路实现了发射电流波形正负极性的交替，同时实现发 射线圈中剩余能量的回收，提高装置的效率和功率密度。由于谐振回路以及发射天线中存 在直流电阻，谐振过程中存在一定的能量损失，因此需要利用恒功率充电主回路进行能量 补充。
[0067] 图2是本发明的大功率主回路模块中LC谐振全桥逆变主回路与恒功率充电主回路 的连接示意图，从图中可以看出：第一电容可以设置为多个，例如设置为3个，每个电容均配 置一个开关进行控制。
[0068] 时间域大电流航空电磁发射装置通过将发射电流注入发射线圈，通过线圈感应出 瞬变电磁场，理想的发射波形为方波波形，包含的频率信号丰富。然而，发射线圈为感性负 载，电感的物理性质决定了流过电感中的电流无法突破，与方波相比，采用正选波形更容易 实现几百安培甚至上千安培的大电流，从而实现大发射磁矩以及大探测深度。
[0069]本发明的装置的发射波形为双极性半正弦波，图5A、5B、5C给出了发射基频分别为 25Hz、75Hz、125Hz时的发射波形示意。
[0070] 基频25Hz，半波脉宽l/2/25 = 20ms = 4ms半正弦+16ms断电；
[0071] 基频75Hz，半波脉宽1/2/75 = 6.667ms = 2ms半正弦+4.6667断电，不要梯形波； [0072] 基频125Hz，半波脉宽1/2/125 = 4ms = lms半正弦+3ms断电，不要梯形波。
[0073]由于谐振回路以及发射天线中存在直流电阻，谐振过程中存在一定的能量损失， 每个周期谐振完成后电容中储存的能量比谐振前减少了一部分，恒功率充电主回路的作用 就是在不发射波形的时间段内，将电容减少的能量补充上，为下一个周期的谐振做准备。目 前电容器充电电源可以大致分为以下三类：1、带限流电阻的高压直流电源，如图6所示;2、 谐振充电电源，如图7所示，交流输入电源利用变压器升压，经过整流、滤波后产生高压直流 电U0开关T1触发后电流流经电感LL和二极管DD1，向CC1传递能量。3、高频变换器充电电源， 如图8所示。结合上述现有技术的优点和航空电磁发射机的技术特点提出以下恒功率充电 主回路的方案：
[0074]所述恒功率充电主回路包括电源、高频逆变电路、高频变压器以及高频整流电路； 所述高频变压器包括正边绕组以及若干个副边绕组。所述电源与所述高频逆变电路连接， 所述高频逆变电路将所述电源的直流电源转换为高频交流电;所述正边绕组与所述高频逆 变电路连接，所述高频整流电路与所述副边绕组连接，所述高频变压器将所述高频交流电 升压到预定电压值，所述高频整流电路将若干个副边绕组的输出进行整流后串联在一起。 [0075] 如图4所示，所述高频逆变电路包括第七IGBT S7、第八IGBT S8、第九IGBT S9、第 十IGBT S10、第七二极管D7、第八二极管D8、第九二极管D9、第十二极管D10、第二电容C2、第 三电容C3、第四电容C4、第五电容C5以及第六电容C6;
[0076]所述第七IGBT S7的集电极与所述第七二极管D7的负极、第三电容C3的一端、所述 第八IGBT S8的集电极、第八二极管D8的负极以及第四电容C4的一端连接；
[0077]所述第七IGBT S7的发射极与所述第九IGBT S9的集电极、第七二极管D7的正极、 第三电容C3的另一端、第九二极管D9的负极、第五电容C5的一端以及所述正边绕组的一端 连接;所述正边绕组的另一端与所述第二电容C2的一端连接；
[0078]所述第八IGBT S8的发射极与所述第十IGBT S10的集电极、所述第八二极管D8的 正极、所述第四电容C4的另一端、所述第十二极管D10的负极、第六电容C6的一端以及所述 第二电容C2的另一端连接；
[0079]所述第九IGBT S9的发射极与所述第九二极管D9的正极、第五电容C5的另一端、第 十IGBT S10的发射极、第十二极管D10的正极以及第六电容C6的另一端连接。
[0080] 如图4所示，所述高频整流电路包括若干个整流单元以及一个电感L1，各个所述整 流单元串联连接;每个所述整流单元均均包括四个二极管，其中每两个二极管串联形成两 个支路，并且所述两个支路并联连接形成整流单元，每个所述副边绕组分别与一个所述整 流单元连接，并且所述副边绕组的两端分别连接在对应的整流单元的两个支路的两个二极 管串联连接的部位;所述电感的一端连接一个所述整流单元的二极管的负极，所述电感的 另一端连接所述第一电容的一端。
[0081] 恒功率充电主回路的输入电源可以是飞行平台的机载电源，也可以是携带的三相 发电机组，交流电经过整流滤波电路转换为直流电，如果机载电源提供的是直流电，则可以 省掉整流电路。直接电源经由高频逆变电路转换为高频交流电，通过高频变压器升压到所 需的电压后，再经由高频整流电路转换为所需的直流电。其中高频逆变电路采用的是由4个 IGBT组成的全桥逆变电路，为输出较高的电压，变压器副边根据输出电压的需要设计为多 个副边绕组，输出整流后串联在一起，实现高压输出。DSP控制单元通过调节4个IGBT的导通 与关断控制对电容器充电功率的控制。
[0082] 上述恒功率充电主回路的恒功率充电的计算具体如下：
[0083] 电容充电分两种情况：1、开机发射前的第一次充电过程;2、发射过程中的能量补 充式充电。第一种情况，电容初始电压为〇，对充电电源等效为短路情况。充电时间和充电效 率要求宽松。第二种情况，在发射过程中，电容与电感谐振过后，由于回路直流电阻的存在 以及线圈与大地的耦合感应等情况的存在，谐振过程中无可避免的存在损耗，谐振过后电 容电压降低，在不发射的时间间隔内，充电器将电阻消耗的能量补充上。
[0084]计算公式：
[0086] pR(t) =u(t)*i (t) =Ri2(t)
[0087] 式中，PL(t)表示发射线圈的电感部分吸收的功率，PR(t)表示发射回路中电阻部分 的功率消耗， u(t)和i(t)分别表示对应器件上述的电压和电流，发射线圈的电流由0达到峰 值过程中的能量由电容器提供，这一部分能量转化为电感存储的能量和回路电阻发热消耗 的能量。
[0088] 谐振起始时刻电容需要储存的能量和电压：
[0091]电流达到峰值时刻，电容中两端电压为0,电容中能量全部用完。电感作为能量源， 给电容充电，并且一部分能量损耗在回路电阻上。
[0092]谐振之后电容中剩余的能量：
[0095]按照图5A、5B、5C所示发射电流波形，发射峰值电流1200A，发射天线电感550uH，电 阻23mQ，下面数据表1给出了三种频率下的计算结果：
[0096] 表 1
[0097]
[0098]电容器充电过程：
[0099]恒功率充电，充电功率为P(即电源输出功率），则充电电压方程为：
[0101]得到电容器的电压u(t)的解析式：
[0103]电容器的电流的解析式：
[0105] 充电曲线如图 9A、9B、10A、10B、11A、11B**。
[0106] 进一步地，所述控制模块包括恒功率充电控制子模块;所述检测电路检测还检测 所述恒功率充电主回路的电流;所述恒功率充电控制子模块根据所述检测电路检测得到的 恒功率充电主回路的母线电压和电流计算得到所述恒功率充电主回路的输出功率，并根据 所述恒功率充电主回路的输出功率与预定功率的差值生成相应脉冲宽度的控制信号，并利 用所述控制信号控制所述第七IGBT、第八IGBT、第九IGBT以及第十IGBT的导通与关断，实现 所述恒功率充电主回路的恒功率输出。
[0107] 例如，高频整流电路的输出功率pQ(t)，输出电压Uci(t)，输出电流i〇(t)，占空比D。 电源控制量为占空比D，直接决定输出参数u。(t)，高频整流电路的输出功率p。(t)。
[0108] p〇(t) =u〇(t) X i〇(t)
[0109] 输入控制目标为输出功率Pc，即上述预定功率，该值通过前期理论计算得到。控制 误差为
[0110] e(t) =Pc-p〇(t) =Pc-u〇(t) X i〇(t)
[0111] 根据控制误差确定占空比，或者上述控制信号。
[0112] 图12是本发明中恒功率充电主回路的恒功率控制示意图，高频整流电路输出后的 电压、电流信号采集后计算得到对应的恒功率充电主回路的实际输出功率，将实际的输出 功率与目标功率，即上述预定功率之间的差值作为控制变量;然后根据控制变量生成相应 的脉冲宽度的脉冲信号，即控制信号；最后采用该脉冲宽度的脉冲信号控制恒功率充电主 回路中的高频逆变电路，以保证由能量补充部分输出到谐振电容的充电功率在设计范围 内，进而使得通过该能量补充部分向电容充电的电源输出功率保持恒定，提高电源的使用 率，在满足设计发射磁矩的情况下使得供电电源的容量最小，重量也最小。
[0113] 以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实 施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解:其依然可以对前述各 实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换;而 这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围，其 均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。
【主权项】
1. 一种时间域大电流航空电磁发射装置，其特征在于，所述装置包括控制模块以及大 功率主回路模块;所述大功率主回路模块包括LC谐振全桥逆变主回路、恒功率充电主回路、 信号检测电路以及驱动电路;所述LC谐振全桥逆变主回路包括第一电容以及发射线圈，所 述第一电容与所述发射线圈连接； 所述检测电路与所述恒功率充电主回路以及所述控制模块连接，所述控制模块与所述 驱动电路连接，所述驱动电路与所述LC谐振全桥逆变主回路以及所述恒功率充电主回路连 接，所述恒功率充电主回路与所述LC谐振全桥逆变主回路连接;所述检测电路检测所述恒 功率充电主回路的母线电压，并传递给所述控制模块，由所述控制模块根据所述恒功率充 电主回路的母线电压确定是否生成停止充电命令，若所述控制模块生成所述停止充电命 令，则所述控制模块将所述停止充电命令发送给所述驱动电路，由所述驱动电路控制所述 恒功率充电主回路停止向所述LC谐振全桥逆变主回路的第一电容充电；其中所述恒功率充 电主回路的母线电压与所述第一电容两端的电压相等;所述第一电容充电完成后，其为所 述发射线圈提供电能，由所述发射线圈发射电流； 所述检测电路与所述LC谐振全桥逆变主回路连接，所述检测电路检测所述发射线圈中 的发射电流，并发送给所述控制模块，所述控制模块根据恒功率充电主回路的母线电压以 及射线圈两端的电流确定是否生成反向充电命令，若所述控制模块生成所述反向充电命 令，则所述控制模块将所述反向充电命令发送给所述驱动电路，由所述驱动电路控制所述 发射线圈向所述第一电容进行充电。2. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制模块包括第一命令生成子模块， 所说第一命令生成子模块判断所述恒功率充电主回路的母线电压是否大于或等于预设值， 若是，则生成所述停止充电命令。3. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制模块包括第二命令生成子模块， 所述第二命令生成子模块判断所述恒功率充电主回路的母线电压是否为零并且所述发射 线圈两端的电流是否达到峰值，若是，则所述第二命令生成子模块生成所述反向充电命令。4. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制模块还包括第三命令生成子模 块，所述第三命令生成子模块判断所述发射线圈中的发射电流是否为零，若是，则所述第三 命令生成子模块生成开始充电命令并传递给所述驱动电路，由驱动电路控制所述恒功率充 电主回路开始向所述LC谐振全桥逆变主回路的第一电容充电。5. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述控制模块还包括第四命令生成子模块 以及第五命令生成模块;所述第一电容充电完成后，所述控制模块根据所述第一电容充电 前所述发射线圈发射的电流的波形的电极性，由第四命令生成子模块或第五命令生成模块 生成正极性正弦波命令或负极性正弦波命令给所述驱动电路，由驱动电路控制控制所述发 射线圈发射正极性正弦波或负极性正弦波;其中在当前驱动电路控制下发射的电流波形的 电极性与所述第一电容充电前所述发射线圈发射的电流的波形的电极性相反。6. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述LC谐振全桥逆变主回路还包括第一 IGBT、第二IGBT、第三IGBT、第四IGBT、第五IGBT、第六IGBT、第一二极管、第二二极管、第三 二极管、第四二极管、第五二极管、第六二极管以及电阻； 所述第一二极管的正极连接所述第一 IGBT的发射极，所述第一二极管的负极连接所述 第一 IGBT的集电极;所述第二二极管的正极连接所述第二IGBT的发射极，所述第二二极管 的负极连接所述第二IGBT的集电极;所述第三二极管的正极连接所述第三IGBT的发射极， 所述第三二极管的负极连接所述第三IGBT的集电极;所述第四二极管的正极连接所述第四 IGBT的发射极，所述第四二极管的负极连接所述第四IGBT的集电极;所述第五二极管的正 极连接所述第五IGBT的发射极，所述第五二极管的负极连接所述第五IGBT的集电极;所述 第六二极管的正极连接所述第六IGBT的发射极，所述第六二极管的负极连接所述第六IGBT 的集电极； 所述第五IGBT的集电极连接所述恒功率充电主回路，所述第五IGBT的发射极连接所述 第一电容的一端以及所述第六IGBT的集电极，所述第一电容的另一端连接所述恒功率充电 主回路;所述第六IGBT的发射极连接所述第一 IGBT的集电极以及第三IGBT的集电极，所述 第一 IGBT的发射极连接所述发射线圈的一端以及所述第二IGBT的集电极，所述第二IGBT的 发射极连接所述第一电容的另一端;所述发射线圈的另一端连接所述电阻的一端，所述电 阻的另一端连接所述第三IGBT的发射极以及第四IGBT的集电极;所述第四IGBT的发射极连 接所述第一电容的另一端。7. 根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述恒功率充电主回路包括电源、高频逆 变电路、高频变压器以及高频整流电路;所述高频变压器包括正边绕组以及若干个副边绕 组； 所述电源与所述高频逆变电路连接，所述高频逆变电路将所述电源的直流电源转换为 高频交流电； 所述正边绕组与所述高频逆变电路连接，所述高频整流电路与所述副边绕组连接，所 述高频变压器将所述高频交流电升压到预定电压值，所述高频整流电路将若干个副边绕组 的输出进行整流后串联在一起。8. 根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述高频逆变电路包括第七IGBT、第八 IGBT、第九IGBT、第十IGBT、第七二极管、第八二极管、第九二极管、第十二极管、第二电容、 第三电容、第四电容、第五电容以及第六电容； 所述第七IGBT的集电极与所述第七二极管的负极、第三电容的一端、所述第八IGBT的 集电极、第八二极管的负极以及第四电容的一端连接； 所述第七IGBT的发射极与所述第九IGBT的集电极、第七二极管的正极、第三电容的另 一端、第九二极管的负极、第五电容的一端以及所述正边绕组的一端连接;所述正边绕组的 另一端与所述第二电容的一端连接； 所述第八IGBT的发射极与所述第十IGBT的集电极、所述第八二极管的正极、所述第四 电容的另一端、所述第十二极管的负极、第六电容的一端以及所述第二电容的另一端连接； 所述第九IGBT的发射极与所述第九二极管的正极、第五电容的另一端、第十IGBT的发 射极、第十二极管的正极以及第六电容的另一端连接。9. 根据权利要求8所述的装置，其特征在于，所述高频整流电路包括若干个整流单元以 及一个电感，各个所述整流单元串联连接； 每个所述整流单元均均包括四个二极管，其中每两个二极管串联形成两个支路，并且 所述两个支路并联连接形成整流单元，每个所述副边绕组分别与一个所述整流单元连接， 并且所述副边绕组的两端分别连接在对应的整流单元的两个支路的两个二极管串联连接 的部位； 所述电感的一端连接一个所述整流单元的二极管的负极，所述电感的另一端连接所述 第一电容的一端。10.根据权利要求9所述的装置，其特征在于，所述控制模块包括恒功率充电控制子模 块;所述检测电路检测还检测所述恒功率充电主回路的电流； 所述恒功率充电控制子模块根据所述检测电路检测得到的恒功率充电主回路的母线 电压和电流计算得到所述恒功率充电主回路的输出功率，并根据所述恒功率充电主回路的 输出功率与预定功率的差值生成相应脉冲宽度的控制信号，并利用所述控制信号控制所述 第七IGBT、第八IGBT、第九IGBT以及第十IGBT的导通与关断，实现所述恒功率充电主回路的 恒功率输出。
【文档编号】H02M3/335GK106054261SQ201610532304
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月7日
【发明人】张鸣, 张一鸣, 郭兵, 李亮亮, 高星乐, 高俊侠
【申请人】北京工业大学