一种双极性梯形脉冲发生装置的制作方法

本实用新型涉及瞬变电磁探测技术领域，尤其涉及一种双极性梯形脉冲发生装置。

背景技术：

瞬变电磁法是利用不接地回线或接地线源向地下发射一次脉冲磁场，在一次脉冲磁场间歇期间利用线圈或接地电极观测地下介质中引起的二次感应涡流场，从而探测介质电阻率的一种方法，在矿产勘探、地下水探测、工程监测和土壤盐碱化调查、无损检测等领域具有广阔的应用前景。瞬变电磁探测仪采用瞬变电磁法的工作原理进行地下介质探测，瞬变电磁探测仪一般由激励场源、接收仪器等组成，激励场源性能的好坏直接影响到地质体感应信号的质量。

现有的技术中通常是采用波形发生器生产梯形脉冲作为激励场源，波形发生器一般采用程控电源将多个基础波形合成梯形波，由于合成波形时，基础波形的触发时间不同，即两个基础波形的上升沿和下降沿没有正确叠加，使得合成的梯形波就会导致畸变(甚至出现梯形波的信号突变、信号毛刺等现象)，并且多个波形合成一个波形会有谐波和直流纹波出现，而谐波和直流纹波的出现容易导致电能质量(包括电压质量)变差，从而进一步导致产生的梯形波的信号变得异常；另外，波形发生器在工作过程中会有温度变化或电压不稳的情况，导致静态工作点发生变化，并被逐级放大和传输，导致电路输出端电压偏离原固定值而上下漂动，使得系统零点偏移现象严重，进而导致每个波形的上升沿和下降沿有畸变，从而导致信号的幅值和相角畸变。

因此，亟需发明一种可防止出现波形畸变和系统零点偏移的新型脉冲发生装置。

技术实现要素：

本申请提供了一种双极性梯形脉冲发生装置，以防止出现波形畸变和系统零点偏移。

为了解决上述技术问题，本使用新型实施例公开了如下技术方案：一种双极性梯形脉冲发生装置，其特征在于，包括电源、第一IGBT开关、第二IGBT开关、第三IGBT开关、第四IGBT开关、钳位电路和电容，其中，

所述第一IGBT开关和第三IGBT开关组成的串联电路与所述第二IGBT开关和第四IGBT开关组成的串联电路并联，所述第一IGBT开关的输出端连接至所述第三IGBT开关的输入端，所述第二IGBT开关的输出端连接至所述第四IGBT开关的输入端，所述第一IGBT开关和第二IGBT开关的输入端均连接至所述电源的正极，所述第三IGBT开关和第四IGBT开关的输出端均连接至所述电源的负极；

所述钳位电路包括感应线圈、感性负载、第五二极管和第六二极管，所述感应线圈与所述感性负载串联，所述感应线圈的输入端连接至所述第一IGBT开关的输出端，所述感性负载的输出端连接至所述第四IGBT开关的输入端，所述第五二极管与第六二极管的串联电路与所述感应线圈和感性负载的串联电路并联，所述第五二极管的输入端连接至所述第一IGBT开关的输出端，所述第五二极管的输出端与所述第六二极管的一端连接，所述第六二极管的另一端连接至所述感性负载的输出端，所述电容的一端连接至所述第五二极管的输出端，所述电容的另一端连接至所述电源的负极。

优选的，所述第一IGBT开关、第二IGBT开关、第三IGBT开关和第四IGBT开关分别对应并联有第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管。

优选的，所述第一二极管、第二二极管、第三二极管和第四二极管反向截止设置。

优选的，所述第六二极管反向截止设置。

优选的，所述第一IGBT开关和第二IGBT开关的输入端与所述电源连接的母线上串联有正向导通的第七二极管。

由上述技术方案可见，本实用新型实施例提供的双极性梯形脉冲发生装置，未采用波形发生器原理，无需通过多个波形合成梯形波，因此不会出现梯形波的波形畸变，同时谐波和直流纹波含量小，不会导致电能质量变差，在阶段二和阶段四中，感应线圈sL中会产生大小相等、且方向相反的感应电压，在阶段四结束，电流关断后，两次感应电压自动相减，从而感应电压会两倍增长，能增强信号，稳定电压，从而静态工作点稳定，电路电压不会偏离原固定值，以消除系统零点偏移，从而避免波形的上升沿和下降沿畸变，进而防止出现触发幅值和相角畸变等现象。

附图说明

为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的一种双极性梯形脉冲发生装置的电路示意图；

图2为阶段一时的电流导通电路图；

图3为阶段二时的电流导通电路图；

图4为阶段三时的电流导通电路图；

图5为阶段四时的电流导通电路图；

图6为J1与J4截至截止后(负载电流下降沿)等效电路复频域模型。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本实用新型中的技术方案，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本实用新型保护的范围。

参见图1，图1为本实用新型实施例提供的一种双极性梯形脉冲发生装置的电路示意图。为解决波形畸变和系统零点偏移，现提出一种双极性梯形脉冲发生装置，第一IGBT开关J1和第三IGBT开关J3组成的串联电路与所述第二IGBT开关J2和第四IGBT开关J4组成的串联电路并联，第一IGBT开关J1的输出端连接至第三IGBT开关J3的输入端，第二IGBT开关的输出端连接至第四IGBT开关的输入端，第一IGBT开关和第二IGBT开关的输入端均连接至电源U的正极，第三IGBT开关和第四IGBT开关的输出端均连接至电源U的负极；

钳位电路110包括感应线圈sL、感性负载R_L、第五二极管D6和第六二极管D7，感应线圈sL与感性负载R_L串联，感应线圈sL的输入端连接至第一IGBT开关的输出端，感性负载R_L的输出端连接至第四IGBT开关的输入端，第五二极管D6与第六二极管D7的串联电路与感应线圈sL和感性负载RL的串联电路并联，第五二极管D6的输入端连接至第一IGBT开关的输出端，第五二极管D6的输出端与第六二极管D7的一端连接，第六二极管D7的另一端连接至感性负载R_L的输出端，电容C1的一端连接至第五二极管D6的输出端，电容C1的另一端连接至电源U的负极。

作为本技术方案的一种优选实施例，第一IGBT开关J1、第二IGBT开关J2、第三IGBT开关J3和第四IGBT开关J4分别对应并联有第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和第四二极管D4，第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和第四二极管D4起到电路稳压的作用。

作为本技术方案的一种优选实施例，第一二极管D1、第二二极管D2、第三二极管D3和第四二极管D4反向截止设置，其中，第四二极管D4配合钳位电路110的第五二极管D6可将负载电压正向钳位，第六二极管D7反向截止设置，第六二极管D7配合第三二极管D3可将负载电压正向钳位，电容C1为钳位电压源。

作为本技术方案的另一种优选实施例，第一IGBT开关J1和第二IGBT开关J2的输入端与电源U连接的母线上串联有正向导通的第七二极管D8，常规的开关电路的关断延时一般与电源相关，第七二级管D8的设置，可阻断电源U与负载电流的续流通路，利于增强电路性能。

工作原理：装置的使用包括四个阶段，其中，

阶段一：参见图2，图2为阶段一时的电流导通电路图，图中线路加粗部分为电流导通线路，t0-t1阶段,第一IGBT开关J1与第四IGBT开关J4导通，第五二极管D6导通，感性负载RL通以正向电流，负载电流按指数规律上升达到预设值I₀；电容C1充电至uc1(t)＝U。

阶段二：参见图3，图3为阶段二时的电流导通电路图，图中线路加粗部分为电流导通线路，t＝t1阶段，第一IGBT开关J1与第四IGBT开关J4截至，感性负载R_L与第六二极管D7、电容C1、第三二极管D3形成续流回路，负载电压u0(t)被反向钳位到uc1(t)，直至t2负载电流I₀快速下降至零。

阶段三：参见图4，图4为阶段三时的电流导通电路图，图中线路加粗部分为电流导通线路，t3-t4阶段，第二IGBT开关J2与第三IGBT开关J3导通，第六二极管D7导通，感性负载R_L通以反向电流，负载电流按指数规律下降至-I₀；电容C1充电至uc1(t)＝U。

阶段四：参见图5，图5为阶段四时的电流导通电路图，图中线路加粗部分为电流导通线路，t＝t4阶段，第二IGBT开关J2与第三IGBT开关J3截至，感性负载R_L与第五二极管D6、电容C1、第四二极管D4形成续流回路，负载电压u0(t)被正向钳位到uc1(t)，负载电流-I₀快速上升至零。

四个阶段中各参数：

U是电源电压；I₀是负载电流预设值；t0是负载电流开始上升的时刻；t1是负载电流维持在I₀并即将下降的时刻；t2是负载电流下降为零的时刻；t3是负载电流开始下降的时刻；t4是负载电流维持在-I₀并即将上升的时刻。

在阶段二和阶段四中，感应线圈sL中会产生大小相等、且方向相反的感应电压，在阶段四结束，电流关断后，两次感应电压自动相减，从而感应电压会两倍增长，能增强信号，稳定电压，从而静态工作点稳定，电路电压不会偏离原固定值，以消除系统零点偏移，防止出现波形畸变。

确定电路参数，参见图6，图6为J1与J4截至截止后(负载电流下降沿)等效电路复频域模型，根据电路等效复频域模型可得负载电流象函数：

负载电流函数为：

电容电压函数为：

式中，

t_d是下降沿关断时间，I₀是发射电流预设值，R_L与L分别是发射线圈的等效电阻与电感值，C1是电容值，U是供电电压。

电路参数C1的最优解可以转化为优化问题，最小关断时间：

s·t{max(u_c)≤U,C1≥0

由以上约束条件可求得满足电路工作需要的电路参数C1最优值。

需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”、“第一”、“第二”等或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本实用新型的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。