CN102427345A - 电流脉冲上升沿和下降沿加速装置及加速方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电流脉冲上升沿和下降沿加速装置及加速方法。是由可控直流电源的正极通过开关K连接稳压嵌位电路、双极性电流脉冲发生器和大地负载的正极连接，可控直流电源的负极通过双极性电流脉冲发生器与大地负载的负极连接，脉冲控制电路与双极性电流脉冲发生器连接构成。本发明具有：一是稳压嵌位电路能在嵌位电压源的电容C上自举产生高压，然后用电容C上的高压加速电流脉冲的上升沿和下降沿，不需要提高直流电源电压或提供辅助电源；二是可调直流电源输出通过稳压嵌位电路中电感Li连接到双极性电流脉冲发生器，电感Li对电流脉冲Io(t)的正向和负向峰值段起到了稳流作用，使电流脉冲Io(t)的正向和负向峰值段较为平滑。

Description

电流脉冲上升沿和下降沿加速装置及加速方法

技术领域：

本发明涉及一种电法地球物理勘探仪器，尤其是适用于负载电阻值为几十Ω，电感量为几mH负载的电流脉冲上升沿和下降沿加速装置及加速方法。

背景技术：

对于可控源音频大地电磁法(CSAMT)，由于发射机与接收机工作场地相距5-10km，为了能够使接收机采集到的信号信噪比高，需要发射机能向大地负载提供尽可能高的发射电流；对于激发极化法(IP)，为了能够更精确的得到大地的极化率，需要发射机产生的电流脉冲的上升沿和下降沿尽可能的短，电流脉冲正向峰值段和负向峰值段尽可能的平稳。然而由于发射电极线长达1-3km，发射电极线的电感使得电流脉冲的上升沿和下降沿变缓，从而使在几百Hz至几kHz时电流脉冲的电流值减小。

对于由于发射电极线的导线电感导致的电流脉冲的上升沿、下降沿变缓和电流值减小的问题，目前有以下两种主流的解决方案：一是通过提高直流电源的输出电压来加速上升沿、下降沿，二是设计两套可直流电源，其中一套电压相对另一套较高，电压高的直流电源一般功率比电压低的直流电源功率低，在脉冲电流的上升沿、下降沿期间使用高压直流电源来缩短上升沿、下降沿时间，在脉冲电流的正向峰值和负向峰值平稳段采用低压直流电压源。

上述两种方案中，第一种要求提高直流电源的电压，第二种需要提供辅助直流电源，这两种方案为了实现加速上升沿和下降沿的目的添加了过多的硬件，使得发射机硬件的变得复杂。

发明内容：

本发明的目的就在于针对上述现有技术的不足，提供一种采用新型拓扑结构，使用了尽可能少的元器件实现了电流脉冲上升沿和下降沿的加速和在几百Hz至几kHz时输出电流值提升的电流脉冲上升沿和下降沿加速装置及加速方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

电流脉冲上升沿和下降沿加速装置，是由可控直流电源1的正极通过开关K连接稳压嵌位电路2、双极性电流脉冲发生器3和大地负载4的正极连接，可控直流电源1的负极通过双极性电流脉冲发生器3与大地负载4的负极连接，嵌位电压源5与可控直流电源1的正极连接，可控直流电源1的负极与嵌位电压源5连接，稳压嵌位电路2与嵌位电压源5连接，稳压控制电路7与嵌位电压源5连接，脉冲控制电路6与双极性电流脉冲发生器3连接构成。

电流脉冲上升沿和下降沿加速方法包括以下顺序和步骤：

a、闭合开关K，调节脉冲控制电路6产生驱动信号，用该驱动信号驱动双极性电流脉冲发生器3产生周期性的电流脉冲；

b、调节可调直流电源1的电压V_i，通过稳压控制电路7使嵌位电压源5的电压V_c＝2V_i，使大地负载4两端有电压V_o(t)，相应有流过大地负载4的电流脉冲I_o(t)；

c、计算输出电流脉冲I_o(t)峰值电流I_i：

$I_i=-\frac{V_c}{R}\·\frac{{4\mathrm{WLV}}_c+V_i\mathrm{TR}-V_c\mathrm{RT}}{-4{\mathrm{WLV}}_c+V_i\mathrm{TR}-V_c\mathrm{RT}}$

$W=\mathrm{lambertw}\left(X\right),X=-\frac{\mathrm{TR}(V_i-V_c)}{4{\mathrm{LV}}_c}\·e^{\frac{\mathrm{TR}(V_i+V_c)}{4{\mathrm{LV}}_c}}$

其中：

lambertw(X)为f(W)＝We^W的反函数，

L：大地负载4的等效电感，即发射电极级的导线电感，

R：大地负载4的等效电阻，即发射电极级的导线电阻与大地电阻之和，

T：电流脉冲I_o(t)的周期。

有益效果：本发明与现有技术相比具有：一是稳压嵌位电路2能在嵌位电压源的电容C上自举产生高压，然后用电容C上的高压加速电流脉冲的上升沿和下降沿，而不需要提高直流电源电压或提供辅助电源；二是可调直流电源1输出通过稳压嵌位电路中电感Li连接到双极性电流脉冲发生器，电感Li对电流脉冲Io(t)的正向和负向峰值段起到了稳流作用，使电流脉冲Io(t)的正向和负向峰值段较为平滑。

附图说明

附图1：电流脉冲上升沿和下降沿加速装置整体框图

附图2：电流脉冲上升沿和下降沿加速装置电路原理图

附图3：电流脉冲上升沿和下降沿加速装置主要元件波形图

附图4a：t₀～t₁时刻下电流的流通回路

附图4b：t₁～t₂时刻下电流的流通回路

附图4c：t₂～t₃时刻下电流的流通回路

附图4d：t₃～t₄时刻下电流的流通回路

附图4e：t₄～t₅时刻下电流的流通回路

附图4f：t₅～t₆时刻下电流的流通回路

附图5：t₀～t₂期间从大地负载4侧看等效电路图

附图6：整周期内从电感L_i侧看等效电路图

附图7：嵌位稳压源5工作原理图

1可调直流电源，2稳流嵌位电路，3双极性脉冲发生器，4大地负载，5嵌位电压源，6脉冲控制电路，7稳压控制电路。

t₀、t₆：输出正向电流脉冲I_o(t)开始下降的时刻，

t₁：输出电流脉冲I_o(t)下降到0的时刻，

t₂：输出电流脉冲I_o(t)下降到-I_i的时刻，

t₃：输出负向电流脉冲I_o(t)开始上升的时刻，

t₄：输出电流脉冲I_o(t)上升到0的时刻，

t₅：输出电流脉冲I_o(t)上升到I_i的时刻，

I_i：输出电流脉冲峰值。

在图5中，为了便于理论计算，电流正方向的标注与图2中相反。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明：

电流脉冲上升沿和下降沿加速装置，是由可控直流电源1的正极通过开关K连接稳压嵌位电路2、双极性电流脉冲发生器3和大地负载4的正极连接，可控直流电源1的负极通过双极性电流脉冲发生器3与大地负载4的负极连接，嵌位电压源5与可控直流电源1的正极连接，可控直流电源1的负极与嵌位电压源5连接，稳压嵌位电路2与嵌位电压源5连接，稳压控制电路7与嵌位电压源5连接，脉冲控制电路6与双极性电流脉冲发生器3连接构成。

稳流嵌位电路2包括：电感Li、二极管D1，嵌位电压源5包括：电容C、IGBT及续流二极管VT5、二极管D2、电感L1，双极性电流脉冲发生器3包括：IGBT及续流二极管VT1、IGBT及续流二极管VT2、IGBT及续流二极管VT3、IGBT及续流二极管VT4，大地负载4包括：导线等效电感L，导线等效电阻与大地电阻之和R；电感Li一端接到可调直流电源1的正极，另一端与二极管D1的阳极、IGBT及续流二极管VT1的集电极和IGBT及续流二极管VT3的集电极连接，IGBT及续流二极管VT2的发射极和IGBT及续流二极管VT4的发射极与可调直流电源1的负极连接，大地负载4一端与IGBT及续流二极管VT1的发射极和IGBT及续流二极管VT2的集电极连接、大地负载4另一端与IGBT及续流二极管VT3的发射极和IGBT及续流二极管VT4的集电极连接，电容C一端与二极管D1的阴极和IGBT及续流二极管VT5的集电极连接，电容C另一端与可调直流电源1的负极连接，电感L1的一端与IGBT及续流二极管VT5的发射极和二极管D2的阴极连接，电感L1的另一端与可调直流电源1的正极连接，二极管D2的阳极与可调直流电源1的负极连接。

电流流通状态为：

(1)、输出脉冲电流Io(t)由正向最大值Ii减小到0时，包括两个流通回路：一个由可调直流电源1正极→电感Li→二极管D1→电容C→可调直流电源1负极，另一个是由大地负载4的负极→VT3的续流二极管→二极管D1→电容C→VT2的续流二极管→大地负载4的正极；

(2)、输出脉冲电流Io(t)由0减小到负向最大值-Ii时，包括两个流通回路：一个由可调直流电源1正极→电感Li→二极管D1→电容C→可调直流电源1负极，另一个是由可调直流电源1正极→电感Li→VT3的IGBT→大地负载4→VT2的IGBT→可调直流电源1负极；

(3)、输出脉冲电流Io(t)维持负向最大值-Ii时，包括一个流通回路：由可调直流电源1正极→电感Li→VT3的IGBT→大地负载4→VT2的IGBT→可调直流电源1负极；

(4)、输出脉冲电流Io(t)由负向最大值-Ii增加到0时，包括两个流通回路：一个由可调直流电源1正极→电感Li→二极管D1→电容C→可调直流电源1负极，另一个是由大地负载4的正极→VT1的续流二极管→二极管D1→电容C→VT4的续流二极管→大地负载4的负极；

(5)、输出脉冲电流Io(t)由0增加到正向最大值Ii时，包括两个流通回路：一个由可调直流电源1正极→电感Li→二极管D1→电容C→可调直流电源1负极，另一个是由可调直流电源1正极→电感Li→VT1的IGBT→大地负载4→VT4的IGBT→可调直流电源1负极；

(6)、输出脉冲电流Io(t)维持正向最大值Ii时，包括一个流通回路：由可调直流电源1正极→电感Li→VT1的IGBT→大地负载4→VT1的IGBT→可调直流电源1负极。

电流脉冲上升沿和下降沿加速方法包括以下顺序和步骤：

a、闭合开关K，调节脉冲控制电路6产生驱动信号，用该驱动信号驱动双极性电流脉冲发生器3产生周期性的电流脉冲；

b、调节可调直流电源1的电压V_i，通过稳压控制电路7使嵌位电压源5的电压V_c＝2V_i，使大地负载4两端有电压V_o(t)，相应有流过大地负载4的电流脉冲I_o(t)；

c、计算输出电流脉冲I_o(t)峰值电流I_i：

$I_i=-\frac{V_c}{R}\·\frac{{4\mathrm{WLV}}_c+V_i\mathrm{TR}-V_c\mathrm{RT}}{-4{\mathrm{WLV}}_c+V_i\mathrm{TR}-V_c\mathrm{RT}}$

$W=\mathrm{lambertw}\left(X\right),X=-\frac{\mathrm{TR}(V_i-V_c)}{4{\mathrm{LV}}_c}\·e^{\frac{\mathrm{TR}(V_i+V_c)}{4{\mathrm{LV}}_c}}$

其中：

lambertw(X)为f(W)＝We^W的反函数，

L：大地负载4的等效电感，即发射电极线的导线电感，

R：大地负载4的等效电阻，即发射电极线的导线电阻与大地电阻之和，

T：电流脉冲I_o(t)的周期。

具体工作步骤是：

(1)、闭合开关K，调节脉冲控制电路6产生驱动信号，用该驱动信号驱动双极性电流脉冲发生器3产生周期性的电流脉冲；

(2)、调节可调直流电源1的电压V_i，通过稳压控制电路7使嵌位电压源5的电压V_c＝2V_i，使大地负载4两端有电压V_o(t)，相应有流过大地负载4的电流脉冲I_o(t)；

参考图3，在一个周期内电流脉冲为：

在t₀～t₁期间，将大地负载4两端电压V_o(t₀～t₁)嵌位到-V_c，使流过大地负载4的电流脉冲I_o(t)快速下降，经过一段时间后I_o(t₁)＝0，此时电流的流通回路如图4a所示；

在t₁～t₂期间，将大地负载4两端电压V_o(t₁～t₂)嵌位到-V_c，使流过大地负载4的电流脉冲I_o(t)快速下降，经过一段时间后I_o(t₂)＝-I_i，此时电流的流通回路如图4b所示；

在t₂～t₃期间，将大地负载4两端电压V_o(t₂～t₃)＝-I_iR，使流过大地负载4的电流脉冲I_o(t)保持恒定，即I_o(t₂～t₃)＝-I_i，此时电流的流通回路如附图4c所示；

在t₃～t₄期间，将大地负载4两端电压V_o(t₃～t₄)嵌位到V_c，使流过大地负载4的电流脉冲I_o(t)快速上升，经过一段时间后I_o(t₄)＝0，此时电流的流通回路如图4d所示；

在t₄～t₅期间，将大地负载4两端电压V_o(t₄～t₅)嵌位到V_c，使流过大地负载4的电流脉冲I_o(t)快速上升，经过一段时间后I_o(t₁)＝I_i，此时电流的流通回路如图4e所示；

在t₅～t₆期间，将大地负载4两端电压V_o(t₅～t₆)＝I_iR，使流过大地负载4的电流脉冲I_o(t)保持恒定，即I_o(t₅～t₆)＝I_i，此时电流的流通回路如图4f所示；(3)、计算输出电流脉冲I_o(t)峰值电流I_i：

t₀～t₂时从大地负载4侧看电路可以等效成图5所示电路，此时

$U_c=i\left(t\right)R+L\frac{\mathrm{di}}{\mathrm{dt}}---\left(1\right)$

解之得

$i\left(t\right)=\frac{U_c}{R}+[i\left(t_0\right)-\frac{U_c}{R}]\·e^{-\frac{R}{L}t}---\left(2\right)$

再根据初始条件

i(t₀)＝-I_i                      (3)

将3式代入2式得

$i\left(t\right)=\frac{U_c}{R}(1-e^{-\frac{R}{L}t})-I_i{e}^{-\frac{R}{L}t}---\left(4\right)$

又因

i(t₂)＝I_i                       (5)

将5式代入4式可得

$t_{02}=\frac{L}{R}[\ln (\frac{U_c}{R}+I_i)-\ln (\frac{U_c}{R}-I_i)]---\left(6\right)$

因为一个周期的时间为T，则

$t_{23}=\frac{T}{2}-t_{02}---\left(7\right)$

从电感L_i侧看整个周期内电路可以等效成图6，t₀～t₂和t₃～t₅时电路可等效为图6a，t₂～t₃和t₅～t₆时电路可等效为图6b。在图6b因为流过电感L₁和L中的电流相等，则有

$V_{L1}=L_1\frac{{\mathrm{dI}}_i}{\mathrm{dt}}---\left(8\right)$

$V_L=L\frac{{\mathrm{dI}}_i}{\mathrm{dt}}---\left(9\right)$

因为L₁＞＞L，所以V_L1＞＞V_L，所以在附图6b中电压L₁负端电压可以近似认为是

V_R＝I_i·R                      (10)

根据电感L_i两端电流在一个周期内电压的积分为零。则有

(V_i-V_c)·(t₀₂+t₃₅)+(V_i-V_R)·(t₂₃+t₅₆)＝0                (11)

因为

t₀₂＝t₃₅                    (12)

t₂₃＝t₅₆                    (13)

式11可简化为

(V_i-V_c)·t₀₂+(V_i-V_R)·t₂₃＝0                (14)

联立6式、7式、10式、14式可得

$(V_i-V_c)\·\frac{L}{R}\·\ln \left(\frac{\frac{V_c}{R}+I_i}{\frac{V_c}{R}-I_i}\right)+(V_i-I_{i}R)\·[\frac{T}{2}-\frac{L}{R}\·\ln \left(\frac{\frac{V_c}{R}+I_i}{\frac{V_c}{R}-I_i}\right)]=0---\left(15\right)$

解式15得

$I_i=-\frac{V_c}{R}\·\frac{{4\mathrm{WLV}}_c+V_i\mathrm{TR}-V_c\mathrm{RT}}{-4{\mathrm{WLV}}_c+V_i\mathrm{TR}-V_c\mathrm{RT}}$

$W=\mathrm{lambertw}\left(X\right),X=-\frac{\mathrm{TR}(V_i-V_c)}{4{\mathrm{LV}}_c}\·e^{\frac{\mathrm{TR}(V_i+V_c)}{4{\mathrm{LV}}_c}}---\left(16\right)$

其中：

lambertw(X)为f(W)＝We^W的反函数。

(4)、嵌位稳压源5工作原理

嵌位稳压源5相关的电路如图7所示。当电容C上电压超过2V_i时，稳压控制电路7开始工作，产生PWM驱动波形控制VT₅中IGBT的导通或关断。VT₅中IGBT的导通时电流流通回路如图7a所示，VT₅中IGBT的关断时电流流通回路如图7b所示。设流过大地负载4的最大电流为I_omax，由图3可知，在t₀和t₃时刻有流过电容C最大电流为2I_omax。

参考图6知V_R＞0，当取V_c＝2V_i时，有

(V_i-V_c)＞(V_i-V_R)

                                (17)

将17式代入14式得

t₀₂＜t₂₃                        (18)

设流入电容C的平均电流为

则有

${\stackrel{\&OverBar;}{I}}_c=\frac{2}{T}\underset{t_0}{\overset{t_2}{\&Integral;}}{I}_c\left(t\right)\mathrm{dt}<\frac{2}{T}\underset{t_0}{\overset{t_2}{\&Integral;}}2I_{o\max }\mathrm{dt}=\frac{{4I}_{o\max }{t}_{02}}{T}<\frac{{2I}_{o\max }(t_{02}+t_{03})}{T}=\frac{2I_{o\max }\frac{T}{2}}{T}=I_{o\max }---\left(19\right)$

根据19式，为了达到稳定电容C上的电压的目的，只要使流过VT₅中IGBT平均电流大于I_omax即可。

根据上述分析，嵌位稳压源5的控制策略为：当电容C上电压超过2V_i时，稳压控制电路7开始工作，产生PWM驱动波形控制VT₅中IGBT的导通或关断；在一个PWM周期开始时让VT₅打开，对流过VT₅中IGBT的电流从零开始积分，当电流的积分值达到I_omax时，关断VT₅中IGBT，并把积分器清零，下一个PWM周期按此规律依次重复直到电容C上的电压降到2V_i以下停止。

Claims (2)

1.一种电流脉冲上升沿和下降沿加速装置，其特征在于，是由可控直流电源(1)的正极通过开关K连接稳压嵌位电路(2)、双极性电流脉冲发生器(3)和大地负载(4)的正极连接，可控直流电源(1)的负极通过双极性电流脉冲发生器(3)与大地负载(4)的负极连接，嵌位电压源(5)与可控直流电源(1)的正极连接，可控直流电源(1)的负极与嵌位电压源(5)连接，稳压嵌位电路(2)与嵌位电压源(5)连接，稳压控制电路(7)与嵌位电压源(5)连接，脉冲控制电路(6)与双极性电流脉冲发生器(3)连接构成。

2.一种电流脉冲上升沿和下降沿加速方法，其特征在于，包括以下顺序和步骤：

a、闭合开关K，调节脉冲控制电路(6)产生驱动信号，用该驱动信号驱动双极性电流脉冲发生器(3)产生周期性的电流脉冲；

b、调节可调直流电源1的电压V_i，通过稳压控制电路(7)使嵌位电压源(5)的电压V_c＝2V_i，使大地负载(4)两端有电压V_o(t)，相应有流过大地负载(4)的电流脉冲I_o(t)；

c、计算输出电流脉冲I_o(t)峰值电流I_i：

$I_i=-\frac{V_c}{R}\&CenterDot;\frac{{4\mathrm{WLV}}_c+V_i\mathrm{TR}-V_c\mathrm{RT}}{-4{\mathrm{WLV}}_c+V_i\mathrm{TR}-V_c\mathrm{RT}}$

$W=\mathrm{lambertw}\left(X\right),X=-\frac{\mathrm{TR}(V_i-V_c)}{4{\mathrm{LV}}_c}\&CenterDot;e^{\frac{\mathrm{TR}(V_i+V_c)}{4{\mathrm{LV}}_c}}$

其中：

lambertw(X)为f(W)＝We^W的反函数，

L：大地负载(4)的等效电感，即发射电极线的导线电感，

R：大地负载(4)的等效电阻，即发射电极线的导线电阻与大地电阻之和，

T：电流脉冲I_o(t)的周期。

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