专利名称：产生宽频恒幅交流方波电流的频域电磁发射装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种产生宽频恒幅交流方波电流的频域电磁发射装置，用 于频域电磁法中电磁发送线圈产生交流方波电流，适用于地球物理勘探、无损 检测领域。
技术背景产生方波电流的装置，可产生正向、负向或双极性方波电流，脉冲周期、 幅值可调。产生交流方波电流的电路，由全桥电路实现，四个桥臂采用全控型 电力电子器件。如专利授权号为ZL200410081518.9的"具有上升沿提升能力的电流脉冲下 降沿线性可调的控制方法及装置"，该装置包括直流电源、电源开关、嵌位电压 源、嵌位电路、滞环控制电路、基准电压电路，能实现下降沿线性可调，但不 能实现上升沿线性可调和高频时电流幅值的恒定。现有技术存在的问题是方 波电流装置的负载是感性负载，特别是负载为线圈等大电感量负载情况下，严 重影响了方波电流的形状，方波电流并不是理想的交流方波，电流由正到负或 由负到正换向过程都有一定的延迟时间，电流换向沿线性度差。交流方波电流 装置作为一种激励源使用，要同时解决方波电流换向时间可调，换向沿线性， 高频发射和频率变化时电流幅值恒定等问题是电力电子技术中的难点，换向沿 的延迟使电流达到稳态的时间变长，影响了交流方波电流频率的提高和高频时 电流幅值的大小。发明内容本实用新型的目的在于提供一种产生宽频恒幅交流方波电流的频域电磁发 射装置，提高了交流方波电流换向沿的陡度，实现了换向沿线性，解决了电流 幅值的提升和恒定，频率范围的扩展等问题。为了实现上述发明目的，本实用新型技术方案包括直流电源、嵌位电压源、 嵌位电路、、能量补充电路、滞环控制电路、交流方波电流控制电路和交流方波 电流发生器，交流方波电流发生器为全桥电路，'全桥电路的上桥臂为两个恒流 电感M和￡2，两个下桥臂为两个全控型电力电子器件；直流电源与开关S连接， 开关S与能量补充电路输入端连接，交流方波电流发生器的输出端连接感性负 载；交流方波电流控制电路由频率调节、控制时序产生电路、驱动电路构成， 交流方波电流控制电路连接至交流方波电流发生器；能量补充电路的两个输入 端分别与直流电源正极、嵌位电压源正极连接，能量补充电路的输出端与交流 方波电流发生器的输入端连接，滞环控制电路输出端与能量补充电路连接；嵌 位电压源的负极与电源负极连接，嵌位电路的输入端与感性负载连接，嵌位电 路的输出端与嵌位电压源的正极连接。能量补充电路包括二极管D5、 D6和开关管J3， 二极管Ds的正极接电源开关，开关管J3与二极管D6并联，二极管D6的正极接二极管Ds的负极和交流方波电流发生器的输入端，二极管D6的负极接嵌位电压源和二极管^的负极和 Dz的负极。嵌位电路包括二极管Dp D2， 二极管^的负极和D2负极连接，二 极管R的正极与感性负载的一端和恒流电感A的一端连接，二极管D2的正极与感性负载的一端和恒流电感丄2的一端连接。本实用新型与现有技术相比，其技术效果是 1、 在交流方波电流换向期间，负载电压嵌位在"嵌位电压源"电压上，实现 了交流方波电流换向沿线性、换向时间短。2、 调节"嵌位电压源"的电压，实现了交流方波电流换向时间可调。3、 提高"嵌位电压源"的电压^，使^>^，实现了高频交流方波电流幅值的提升。4、 采用恒流电感和"能量补充电路"，实现了负载电流幅值的恒定，不随电 源电压、频率、负载的变化而变化。5、 提高"嵌位电压源"使K^F!，縮短了换向时间，提高了交流方波电流的频率。6、 本实用新型实测数据发射电流12A, F产12V，线圈电阻(UQ，线圈电 感量500////,嵌位电压源电压为800V，电子开关采用1200V、 31A的 MOSFET模块，电流换向15戶。
图1为本实用新型在一个周期内的负载电流波形图和负载电压波形图；图2为本实用新型的组成框图；图3为本实用新型组成框图的电路拓扑图；图4为实测发射电流由正到负换向沿波形图；图5为实测发射电流由负到正换向沿波形图。在图l中f。正向方波电流开始上升时刻，v。(/) = ^，一正向方波电流上升到/时刻，v。(0由J^下降到K,/2:正向方波电流开始下降时刻，v。(0由K下降到-^，M正向方波电流下降到零时刻，v。(,) = -^f4:负向方波电流上升到-/时刻，v。(,)由-^上升到-R，^负向方波电流开始下降时刻，v。(0由-F,上升到Fc，々负向方波电流下降到0时刻，v。(f)=^，直流电源电压， 嵌位电压源电压， v。(0:负载电压波形， /。W:负载交流方波电流波形，交流方波电流换向时间。 在图2中/。(0、 /、 v。(f)、 Kc的含义与图l中"0、 /、 v。(/)、 「c相同。 在图2、图3中1— 能量补充电路，2— 交流方波电流控制电路，3— 嵌位电路， 4一嵌位电压源， 5—滞环控制电路。
具体实施方式
如图l所示交流方波电流上升、下降期间控制电压、电流的情况是f。 f,:开关管^关断，开关管J2导通，V。(,。) = K=800F，恒流电感与负载 电感串联，"嵌位电路"中的二极管导通，将负载电感电压嵌位在"嵌位电压源" ^上，/。(0由零线性上升到/，电流值得以提升；6~f2: J,关断，&导通，V。(0=K，由电源供电，供电电压低，负载电流 缓慢下降，当!。(,)下降到/-*，其中J为输出电流幅值的波动量，能量补充电 路工作，转由"嵌位电压源"供电，因^电压很高，恒流电感能量在短时间内得以补充，因此，保持了负载电流幅值在方波电流平坦区的恒定；f2 f3: Ji导通，J2关断，v。(,)由正变为负值，v。(" = —Fc=-方波电流由/线性下降到零，在^时刻负载电流衰减到零；f3~~: J,导通，J2关断，v。(" = -&=-80(^,恒流电感与负载电感串联，"嵌 位电路"中的二极管导通，将负载电感电压嵌位在"嵌位电压源"-R.上，/。(/)由 零线性上升-/，电流值得以提升；f4~f5: Jt导通，J2关断，v。(0 = -^，由电源供电，供电电压低，负载电流 缓慢下降，当/。(0下降到-/+*，能量补充电路工作，转由"嵌位电压源"供电， 因^电压很高，恒流电感能量在短时间内得以补充，因此，保持了负载电流幅值在方波电流平坦区的恒定；f5~^ ^关断，J2导通，V。(" = ^=800r，方波电流由-/线性下降到零， 在~时刻负载电流衰减到零。计算交流方波电流下降沿斜率绝对值A ，以下的"斜率"均指斜率的绝对值:/。(/)由/或-/下降到零的斜率&0(/)，)—K湖c 1 1丄 500xl(T6其中￡ = 500////， FC=800F计算交流方波电流上升沿斜率尺2: /。(/)由零上升到/或-/的斜率=1.6xl06丄800当^》/^/时，《2 - fi c L 2丄 500xl(T6其中Z = 500/^/， rc=800r=1.6xl06计算输出方波电流换向时间G (单位方波电流下降时间Q: 4"0n-)xlO6方波电流上升时间^: G2 =-4(lnT7"^)xl06方波电流由正到负的换向时间^:丄，，G = Wrf2 =_TT(ln.)x106—二(ln)x106 =15/ 计算电流幅值/ (单位爿) 当R》^/时，电流上升斜率i^r & 800 K、 》丄=丄 500x10—6 电流上升时间。2:1.6x106-丄(ln-电流幅值/:500x10一6ln800800 + 12x0.3x106 7,5/Ay输出电流的换向沿斜率尺 交流方波电流下降沿斜率《=交流方波电流上升沿斜率i^ = 当「c》i^/时，尺=《1=尺2*^ =丄〖800Z 500xl0—6 /: = 1.6><106直线，电流波形对称。=1.6xl06，换向沿是斜率为恒流电感值的确定在r产12V， /=12A，及l-0,3Q, ￡=500〃//， a/=o.4A，开关管^最大工 作频率/,-10kHz情况下，恒流电感最小值为￡關=-%7T ~~-丄=1.58 mH/ .ln h'隨V + A厶/-其中":交流方波电流幅值的波动值； A"开关管j3的最高开关频率。考虑到电感开关管j3工作频率越低，需要的恒流电感量越大，i, = i2》Zmm ，在此取2mH。频率的提高提高^，縮短方波电流的换向时间，提高频率。 设Fc=1000^，丄=100〃// 当^-》V时，则电流换向时间^=2.4卢，而频率为100kHz，周期为IO戸，方波电流平坦 区时间为3.8^，即此种情况下，输出电流的频率可达到100kHz。 电流幅值的恒定实际j3若采用最大开关频率为100kHz的MOSFET,i:产丄尸2mH， F产12V， /=12A， &=0.3Q, L=S0(^f/,交流方波电流幅值的波动值"厶/丄_/ + (7- il)e"《、=0.034A由此可见，负载电流在方波电流平坦区，电流波动率^ = ， = 0.283%,实/ 12现电流恒定。如图2所示本实用新型技术方案包括直流电源、嵌位电压源、嵌位电路、能量补充电路、滞环控制电路、交流方波电流控制电路和交流方波电流发生器，交流方波 电流发生器为全桥电路，全桥电路的上桥臂为两个作为恒流源的恒流电感^和丄2，两个下桥臂为两个全控型电力电子器件；直流电源与开关S连接，开关S 与能量补充电路输入端连接，交流方波电流发生器的输出端连接感性负载；交 流方波电流控制电路由频率调节、控制时序产生电路、驱动电路构成，交流方 波电流控制电路连接至交流方波电流发生器；能量补充电路的两个输入端分别 与直流电源正极、嵌位电压源正极连接，能量补充电路的输出端与交流方波电 流发生器的输入端连接，滞环控制电路输出端与能量补充电路连接；嵌位电压 源的负极与电源负极连接，嵌位电路的输入端与感性负载连接，嵌位电路的输 出端与嵌位电压源的正极连接。 如图3所示能量补充电路包括二极管D5、 D6和开关管J3， 二极管Ds的正极接电源开关，开关管J3与二极管D6并联，二极管D6的正极接二极管D5的负极和交流方波发生器的输入端，二极管D6的负极接嵌位电压源和二极管Dp D2的负极。嵌位电路包括二极管A 、 D2 ， 二极管"的负极和D2的负极连接，二极 管Di和D2的正极分别与感性负载的两端连接，；极管R的正极与感性负载的 一端和恒流电感A的一端连接，二极管D2的正极与感性负载的一端和恒流电感丄2的一端连接。滞环控制电路包括电阻Ri 、 R2 、 R3,比较器A"驱动电路，基准电压 电路。滞环控制电路控制恒流电感电流恒定；比较器A,的反相输入端接R0, Ro用作电流取样，用于检测输出交流方波电流的幅值；比较器Ai的输出信号经R3接到驱动电路。当输出电流!。(0小于/-4f时，比较器输出信号通过"驱动电路"控制电子开关J3导通，"嵌位电压源"给"能量补充电路"提供能量，使恒流电感的电流上升到/+^;当/。(,)大于/"ff时，比较器输出信号控制J3截止，从而维持恒流么 么电感电流为恒定值，恒流电感起到了恒流源的作用。 通过调节"基准电压电路"，实现/的可调。 通过调节"嵌位电压源"的电压值，实现方波电流换向斜率和换向时间可调。如图4、图5所示实测数据发射电流12A， F产12V，线圈电阻(K3Q，线圈电感量500////, 嵌位电压源电压为800V，电子开关采用1200V、 31A的MOSFET模块，电流 换向时间15p。
权利要求1、一种产生宽频恒幅交流方波电流的频域电磁发射装置，包括直流电源、嵌位电压源、嵌位电路、滞环控制电路、交流方波电流控制电路，其特征在于还包括能量补充电路和交流方波电流发生器，交流方波电流发生器为全桥电路，全桥电路的上桥臂为两个恒流电感L1和L2，两个下桥臂为两个全控型电力电子器件；直流电源与开关S连接，开关S与能量补充电路输入端连接，交流方波电流发生器的输出端连接感性负载；交流方波电流控制电路由频率调节、控制时序产生电路、驱动电路构成，交流方波电流控制电路连接至交流方波电流发生器；能量补充电路的两个输入端分别与直流电源正极、嵌位电压源正极连接，能量补充电路的输出端与交流方波电流发生器的输入端连接，滞环控制电路输出端与能量补充电路连接；嵌位电压源的负极与电源负极连接，嵌位电路的输入端与感性负载连接，嵌位电路的输出端与嵌位电压源的正极连接。
2、 根据权利要求l所述的产生宽频恒幅交流方波电流的频域电磁发射装置，其 特征在于交流方波电流发生器电路的上桥臂为两个等值的恒流电感L,、 L2， L,、 L2的一端分别与负载电感的两端连接。
3、 根据权利要求l所述的产生宽频恒幅交流方波电流的频域电磁发射装置，其 特征在于能量补充电路包括二极管Ds、 D6和开关管J3， 二极管Ds的正极接电源开关，开关管J3与二极管D6并联，二极管D6的正极接二极管Ds的负极和交流方波电流发生器的输入端，二极管D6的负极接嵌位电压源和二极管R、 D2 的负极。
4、 根据权利要求l所述的产生宽频恒幅交流方波电流的频域电磁发射装置，其 特征在于嵌位电路包括二极管Dn D2, 二极管Di的负极和D2的负极连接，二 极管D,的正极与感性负载的一端和恒流电感A的一端连接，二极管D2的正极与感性负载的一端和恒流电感丄2的一端连接。
专利摘要一种产生宽频恒幅交流方波电流的频域电磁发射装置，用于频域电磁法中电磁发送线圈产生交流方波电流，适用于地球物理勘探、无损检测领域。本实用新型的装置包括直流电源、嵌位电压源、交流方波电流控制电路、交流方波电流发生器、能量补充电路和滞环控制电路，该交流方波电流发生器的输出端连接的感性负载，能量补充电路的输入端与直流电源连接，输出端与交流方波发生器的输入端连接，能量补充电路与嵌位电压源的输出端连接，嵌位电路的输入端与感性负载连接，输出端与嵌位电压源的输出端连接。本实用新型实现了交流方波电流换向沿的陡度，换向沿线性，电流幅值的提升和恒定，频率范围的扩展。
文档编号H03K3/00GK201146485SQ20082009751
公开日2008年11月5日 申请日期2008年1月21日 优先权日2008年1月21日
发明者付志红, 苏向丰, 谢品芳, 赵俊丽 申请人:重庆大学