电磁探测特种电源耗能型准谐振高速关断电路

电路原理：

提出的耗能型准谐振高速关断电路见图2虚线框内电路。常规RCD吸收电路、PCB深孔电镀电源等电路的关断延时与电源相关，由此设想，如果在关断期间阻断负载与电源的续流通路，其性能就有可能得到改善。根据该思想，在母线上加二极管D3，在关断期间的续流由虚线框内电路完成。

分析电路工作原理：

①正向供电时，开关J1、J4、J6导通，J5、J2、J3截止，在负载得到正向电流。假设正向供电时间足够长，电流上升达到稳态I0。

②在停供时，J1、J4截止，由于J6预先开通，L、RL、J6、D2、RC网络形成续流回路，负载能量一部分由R1消耗，另一部分存储到C1中。当电感电流下降为零后，电容C1存储能量需再经过一段时间，才能由R1消耗完毕，J6截止。

③反向供电情况与上类似：在供电期间J5导通，关断的续流回路由L、RC网络、D1、J5、RL构成。

电磁探测特种电源馈能型准谐振高速关断电路

发射电路在TEM大回线工作方式耗能可达数十瓦，如果去掉图2中的R1（见图3），主开关关断时，将电感能量暂存于电容中，在下一个脉冲上升沿通过负载释放，实现能量的回馈，由于在放电初期电容电压远大于供电电压，因此可提升脉冲上升沿，使电流尽快达稳态。

在脉冲上升沿释放电容能量时，电容电压不会释放到零，而会存在残压，残压大小等于供电电压，供电电压越大，关断延时越短，而电容参数最优解和线性度随供电电压变化不大。

准谐振高速关断电路的电路参数最优解与负载、发射电流相关，国内外一些瞬变电磁发射机通过改变阻尼电阻或吸收电容的方法，改善下降沿特性，因此，很难使发射机工作于最优状态。本章提出了恒压钳位原理和三种恒压钳位高速关断电路拓扑，在解决了优化参数与负载、发射电流的相关性问题的同时，进一步缩短了关断延时，提高了下降沿线性度，与准谐振型电路和已报道的高速关断电路相比，该电路具有显著优点，是理想的大功率TEM发射电路。

恒压钳位高速关断电路有耗能型、馈能型和无损型三种电路拓扑，具有以下特点：

①三种恒压钳位电路具有相同的下降沿特性（相同的关断延时和线性度）；

②恒压钳位高速关断电路下降沿线性度高，通过对钳位电压源的控制，可实现下降沿斜率可调；

③与已报道的双极性电流源相比，恒压钳位高速关断电路关断延时最短(在负载L=1.9mH，发射电流I₀=57A时，已报道文献最短关断延时为280µs，而恒压钳位电路为171µs)；

④馈能型高速关断电路减少了能量损耗，缩短了脉冲上升时间（在负载L=1.9mH，发射电流I₀=57A时，电流上升时间由2.89ms降至201µs），可显著提高工作效率（按参数计算，可提高效率18%）；

⑤电路参数最优解不随电源、负载、脉冲电流幅值变化，解决了国内外许多TEM发射机需实时改变阻尼电阻以实现最佳匹配的问题；

⑥耗能型和馈能型恒压钳位高速关断电路存在一定损耗，无损恒压钳位高速关断电路有利于发射机的小型化。

能源争夺是国际竞争的永久话题，能源勘察是能源竞争的基础。能源勘察不仅影响当前经济的发展，也是国家制定发展规划的基础，制约着国家经济的可持续发展；工程地质勘察、地下水资源勘查、灾害地质调查在国家基础建设、环境保护、国家安全中发挥了越来越大的作用。1999年，国土资源部启动了为期12年的国土资源大调查专项工作，探测分析技术和信息技术是大调查的重点工作之一。作为地质勘察技术，电磁探测技术广泛地得到各个国家政府、研究单位、企业的高度重视。我国对探测仪器的需求大量依赖进口，发展自己的电磁探测技术与仪器，非常紧迫。

电磁探测仪器一般由激励场源（天然场源的大地电磁法除外）、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，因此，激励场源的研究是地学仪器的重要课题。

电磁探测特种电源瞬变电磁法基本原理

电磁探测技术是地球物理勘探技术的一大种类，从场源的形式，分为人工场源和天然场源；从场源的性质，分为电耦源和磁耦源两类；按响应的性质，分为频域电磁法和时间域电磁法。

瞬变电磁法（TransientElectroMagnetic，简称TEM），或称时间域电磁法（Timedomainelectromagnetic，简称TDEM），是一种利用电磁法原理进行地质勘探的先进技术。以接地导线通以脉冲电流为激励场源，称电耦源瞬变电磁法；以不接地导线通以脉冲电流为激励场源，称磁耦源瞬变电磁法。TEM最早由Ward于1938年提出，50年代，原苏联提出了远区和近区建场法，1962年，加拿大Barringer公司的INPUT系统投入使用。此后，国内外各研究机构和生产厂家,不断推出智能化瞬变电磁仪。

磁耦源瞬变电磁法工作模式分同点装置、偶极装置和大定回线装置三种。图1为大定回线装置系统框图，系统由发射系统和接收系统两部分构成。

系统各部分作用如下：

发射机系统：由电池组、瞬变电磁发射机、发射线圈、GPS同步控制器组成，用于产生激励电流波形，负载为发射线圈。激励电流有双极性电流脉冲、三角波和半正弦波几种。但最常用的是双极性电流脉冲，发射波形频率在0.0625~32Hz之间，发射功率为数百瓦~数十千瓦，发射电流为几安培至上百安培，发射时序由GPS同步控制器产生。

接收机系统：由瞬变电磁信号接收机、接收线圈、GPS同步控制器组成。接收地质体的感应信号，传感器为接收线圈、有源磁探头或高温超导量子干涉仪，接收由GPS同步控制器控制。

GPS同步控制器：用于协调发射机、接收机的时序（在同点装置或小回线应用时也可采用电缆同步）。

在大定回线装置系统中，为了提高工作效率，多套接收系统可以同时同步工作。

电磁探测特种电源瞬变电磁法发射技术的关键问题

实际的发射机不可能做到理想的阶跃电流激励，存在关断延时，在电流下降沿期间，存在一次场和二磁场的混叠。为了提高浅层探测能力，应缩短发射机的关断延时，将数据采集起始时刻尽量前移。另外，发射机还存在开关噪声、下降沿波形无规律、受负载变化影响等问题。

①发射电流波形类型

瞬变电磁法的激励场源分单极性和双极性电流脉冲两类。产生单极性电流脉冲的原理近似于照相机闪光灯原理，利用电容存储高能量，在瞬间释放，可产生高达100A的放电电流，这种技术也叫能量压缩技术。

单极性场源产生的响应信号强，仪器节能、低损耗，但存在明显缺点：由于脉冲很窄，上升沿和下降沿产生的电磁响应混迭在一起，上升沿的影响不能忽略；设计加速电流下降和改善下降沿波形的电感能量释放回路很困难；对于双极性激励，可采用正向、负向响应相减的办法，消除运算放大器零点，但单极性激励无法采用这种技术。因此，目前的TEM系统一般采用双极性场源。

②关断延时对TEM响应的影响

关断延时越小，谐波分量越丰富，对探测浅部信息越有利，浅部地质结构产生的响应衰减较快，反映在TEM接收信号早期，深部地质结构产生的响应衰减较慢，反映在TEM接收信号晚期。

③电流下降沿波形形状影响

由于负载呈感性，电流一般呈指数上升，需要经过一段时间才能达到稳态；在电流下降沿，由于不同发射机的电感能量泄放回路拓扑结构的不同，下降沿形状变化较多，较普遍的是呈指数规律下降，也可能是线性或其他函数。电流下降沿波形与电感能量释放网络结构、负载电感量、负载电阻、发射电流、器件参数有关。电子开关的极间电容产生振荡、二极管的恢复时间会造成电流过冲、IGBT拖尾电流使波形畸变、非理想的驱动信号都会造成电流波形失真。

④发射电流大小

大的发射电流有利于增强信噪比，并增强深部地质结构的电磁响应，因此，总是希望发射电流越大越好。目前，双极性脉冲电流一般在50A以内。

前面提出的高速关断电路仅考虑了负载能量的释放时间，实际上，关断延时由驱动延时、开关延时和负载能量的释放时间构成，在大电感、大电流情况下，关断延时主要由负载能量的释放时间决定，但在小磁矩（发射电流、发射线框面积、线框匝数的乘积）发射情况下，驱动延时和开关延时就不能不考虑。针对中、小功率的瞬变电磁发射，进一步缩短开关延时和负载能量的释放时间。

针对小功率应用，宜采用基于MOSFET的TVS型电路，电路结构简单，输出特性好；针对中功率应用，宜采用Sidac-R阵列型和耗能型恒压钳位高速关断电路，电路结构和控制简单，输出特性好；针对大功率应用，宜采用无损恒压钳位高速关断电路，输出特性好，损耗小；针对超浅层应用，宜采用TVS的串联拓扑，进一步缩短关断延时，二极管位于上桥臂较优，下桥臂驱动信号不与控制系统隔离，可使得发射电流的关断更好地与控制信号同步。

生产特种电源的厂商很多，例如国内的有西安兆福电子有限公司，东阳市大通电器厂，西安秦川特种电源有限公司，无锡特种电源设备厂，骆驼特种电源等，国外的有德国的Iseg公司，英国的HiTekPower公司，美国的GAMMA公司，美国的SpellmanHighVoltage公司等。

特种电源一般是为特殊负载或场合要求而设计的，它的应用十分广泛。主要有：电镀电解、阳极氧化、感应加热、医疗设备、电力操作、电力试验、环保除尘、空气净化、食品灭菌、激光红外、光电显示等。而在国防及军事上，特种电源更有普通电源不可取代的用途，主要用于：雷达导航、高能物理、等离子体物理及核技术研究等。

可见特种电源就是运用电力电子技术及一些特殊手段，将发电厂或蓄电池输出的一次电能，变换成能满足对电能形式特殊需要的场合要求而设计的电源。

特种电源是普通电源无法取代的，在工业、环保、医疗、国防和科研等方面具有广泛应用，且发展潜力巨大，现仅介绍具有广泛代表性的高压电源、脉冲电源和加速器电源系统。

①雷达发射机用的高压电源：在现代雷达发射机中，用行波管(TWT)作为微波功率放大器件占有很大的比例,作为高功率部分,它的可靠性与技术指标如何,对雷达发射机乃至整个雷达有着直接的影响，而支撑着行波管的高压电源(系统)更显得至为重要。雷达行波管用高压开关电源，可采用全桥谐振PWM调制方式,大功率开关器件采用先进的IGBT模块及先进可靠的驱动电路，使得电源的整体性能良好，稳定度好,并且具有各种保护功能。

②电子束焊机用大功率高压电源：电子束焊接因具有不用焊条、不易氧化、工艺重复性好及热变形量小的优点而广泛应用于航空航天、原子能、国防及军工、汽车和电气电工仪表等众多行业。电子束焊接的基本原理是电子枪中的阴极由于直接或间接加热而发射电子，该电子在高压静电场的加速下通过电磁场的聚焦就可以形成能量密度极高的电子束，用此电子束去轰击工件，巨大的动能转化为热量，使焊接处工件熔化，形成熔池，从而实现对工件的焊接。

③高压脉冲电源：在雷达导航设备中，其发射部分一般都需要一高电压、窄脉冲，不同重复频率的强功率脉冲源，这种强功率脉冲源一般通过一个高压电源将市电升为几千伏至几十千伏直流高压，然后由一个调制器将直流高压调制为所需脉宽及频率的脉冲源以供发射管使用。高压脉冲源主要由高压电源及调制器组成，高压电源采用开关稳压电源，调制器采用半导体固态器件。

④在医学领域的应用：在医学领域，许多医疗设备都需要高压电源或高压脉冲电源、典型的如CT机、X射机光机等。介绍一种在神经和精神疾病治疗领域中高压脉冲电源的应用——经颅磁刺激系统。

⑤大功率高压脉冲电源在污水处理中的应用：用大功率高压电脉冲处理污水是利用在水中高电压(30～50千伏)、大电流(几十千安)脉冲放电产生的等离子体(自由基和紫外辐射)，及等离子体通道刚性条件下迅速膨胀产生的冲击波对污水中有机化合物的等离子体物理及电化学的复杂作用，使其降解为二氧化碳、水等简单分子，达到处理污水的目的。

⑥高压脉冲电源在食品杀菌中的应用：高压脉冲电源杀菌技术的应用研究主要集中在液态食品(如饮料、牛奶等)的杀菌，经高压脉冲电场杀菌加工的饮料具有安全、风味和口感近似新鲜饮料、营养好的特点，故此技术对食品加工厂家具有极大的吸引力，具有良好的市场前景。

⑦高压电源在(塑料薄膜)材料表面处理中的应用:塑料薄膜已经成为现代包装工艺的主流材料，具有透明、防潮、气密性好等突出优点。但大部分塑料薄膜属于非极性高分子材料，对油墨的亲和性都比较差，而且在形成过程中加入的增塑剂、引发剂、残留单体和降解物等低分子物质很容易析出而汇集于材料表面形成无定性层，使塑料薄膜表面的润湿性能变差，所以在印刷前必须经过处理。

⑧加速器电源系统;电源系统是加速器中一个重要组成部分，其主要功能是和负载一起为加速器提供所需的磁场和电场。这个电源系统绝大多数是高精度线性电源，几乎全部是直流稳流和直流稳压电源。其基本结构是开关电源和晶闸管相控电源。主要技术指标(长期电流稳定度，电流纹波等)要求很高，二极铁电源电流长期稳定度一般优于2×10-4/8小时，四极铁电源电流长期稳定度一般优于5×10-4/8小时。