CN113037067B - Rcd吸收回路的匹配电阻计算方法及瞬变电磁发射机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种RCD吸收回路的匹配电阻计算方法，包括确定RCD吸收回路的电路参数和工作状态；分析震荡阶段的状态得到震荡微分方程；求解震荡微分方程得到RCD吸收回路的匹配电阻的理论值；调整RCD吸收回路的匹配电阻值得到最终的RCD吸收回路的匹配电阻。本发明提供的这种RCD吸收回路的匹配电阻计算方法及瞬变电磁发射机，通过基尔霍夫定理进行定量计算，并根据实际情况进行调整，从而得到最优化匹配电阻阻值；因此本发明方法能够得到较为精确的匹配电阻值，而且可靠性高、应用效果好且实用性较好。

Description

RCD吸收回路的匹配电阻计算方法及瞬变电磁发射机
技术领域
本发明属于地质勘探领域，具体涉及一种RCD吸收回路的匹配电阻计算方法及瞬变电磁发射机。
背景技术
瞬变电磁法是采用电磁感应原理，通过不接地回路或接地电偶源发送脉冲电磁场，在电磁场的激励下，地下地质体将产生随时间变化的感应电磁场(通常称之为二次场)。在一次脉冲磁场的间歇期间，利用线圈或接地电极观测二次场，通过对这些相应信息的提取和分析，从而达到探测地下地质体的目的。一般的，瞬变电磁发射场源采用多周期性的脉冲序列，例如：矩形，三角形，半正弦波，梯形等等。本专利以双极性矩形波为例展开讨论。
在实际情况中，负载线圈对于发射系统感性为主，上升和下降本身并不是一个瞬时跃迁的过程，而是一个呈指数上升和下降的过程。接收机接收到的实际信号为一次场与二次场信号之和。当电流完全关闭时，接收机接收到的信号为纯粹的二次场，但是在电流下降期间，一次场信号与二次场信号分离困难，因此瞬变电磁仪器只用了电流完全关断后的二次场信号，从而也造成了一部分信号的丢失，进而对瞬变电磁浅层勘探的结果造成了影响。目前，一般的在电路中加入吸收回路，以此来缩短关断时间。而经典RCD吸收回路由于适用性高，结构简单，线性度好，关断时间短而被广泛运用于瞬变电磁发射机中。
最早的RCD吸收回路于1993年提出，主要运用于MOSFET与IGBT中，具有保护开关，吸收电压波涌的作用，但是该回路存在冲量小，吸收回路寄生电感大等缺点。针对此问题，研究人员在1997年提出经典RCD吸收回路，与早期的RCD吸收回路相比，它有过压抑制效果更好，容量大，吸收回路寄生电感小等优势。2017年，Fei Liu,Wenjun Liu等又针对经典RCD吸收回路进行进一步改进。但是，无论是哪种RCD回路，其在电流下降沿末期，自身的负载线圈、负载线圈自身电阻、分布电容与吸收回路都会形成一个典型的二阶电路，导致发射电流在末期会出现过冲，震荡等问题。对于此问题，目前采用的方法是，在负载线圈两端加上匹配电阻。
但是，目前增加匹配电阻的技术方案，其依据存在如下技术缺陷：匹配电阻阻值的选取过程中，人们仅关注负载线圈的内阻与分布电容，很少有人与实际电路结合进行计算，导致匹配电阻阻值不精确，使得匹配电阻的实际效果大打折扣。
发明内容
本发明的目的之一在于提供一种可靠性高、应用效果好且实用性较好的RCD吸收回路的匹配电阻计算方法。
本发明的目的之二在于提供一种包括了所述RCD吸收回路的匹配电阻计算方法的瞬变电磁发射机。
本发明提供的这种RCD吸收回路的匹配电阻计算方法，包括如下步骤：
S1.确定RCD吸收回路的电路参数和工作状态；
S2.采用基尔霍夫定理，对RCD吸收回路的震荡阶段的状态进行分析，得到震荡微分方程；
S3.对步骤S2得到的震荡微分方程进行求解，得到RCD吸收回路的匹配电阻的理论值；
S4.将步骤S3得到的理论值与实际的标准电阻值进行对比，对RCD吸收回路的匹配电阻值进行调整，从而得到最终的RCD吸收回路的匹配电阻。
步骤S2所述的采用基尔霍夫定理，对RCD吸收回路的震荡阶段的状态进行分析，得到震荡微分方程，具体为采用如下方程式作为震荡微分方程：
Figure BDA0002961839250000031
式中C为RCD吸收回路的电容与负载线圈分布电容并联后的等效电容值；u(t)为开关管的等效电容两端的电压值；i(t)为负载线圈的电流值；r为RCD吸收回路的匹配电阻值；R为RCD吸收回路的电阻值；L为负载线圈的电感值。
步骤S3所述的对步骤S2得到的震荡微分方程进行求解，得到RCD吸收回路的匹配电阻的理论值，具体为采用如下步骤进行求解并得到匹配电阻的理论值：
A.列出震荡微分方程的特征方程为：
Figure BDA0002961839250000032
式中C为RCD吸收回路的电容与负载线圈分布电容并联后的等效电容值；u(t)为开关管的等效电容两端的电压值；i(t)为负载线圈的电流值；r为RCD吸收回路的匹配电阻值；R为RCD吸收回路的电阻值；L为负载线圈的电感值；
B.列出步骤A的特征方程的判定式为
Figure BDA0002961839250000033
C.令步骤B得到的判定式Δ为0，从而得到RCD吸收回路的匹配电阻的理论值为
Figure BDA0002961839250000041
或
Figure BDA0002961839250000042
本发明还提供了一种瞬变电磁发射机，其包括了所述的RCD吸收回路的匹配电阻计算方法。
本发明提供的这种RCD吸收回路的匹配电阻计算方法及瞬变电磁发射机，通过基尔霍夫定理进行定量计算，并根据实际情况进行调整，从而得到最优化匹配电阻阻值；因此本发明方法能够得到较为精确的匹配电阻值，而且可靠性高、应用效果好且实用性较好。
附图说明
图1为本发明方法的方法流程示意图。
图2为本发明方法所对应的RCD吸收回路的电路示意图。
图3为本发明方法所对应的电路在电流下降沿时的电流示意图。
图4为本发明方法所对应的电路在电流下降沿时的等效电路示意图。
图5为本发明方法所对应的电路在电流下降沿时的电流震荡过程示意图。
具体实施方式
如图1所示为本发明方法的方法流程示意图：本发明提供的这种RCD吸收回路的匹配电阻计算方法，包括如下步骤：
S1.确定RCD吸收回路的电路参数和工作状态；如图2所示；
该吸收电路适合大功率电路，特点是过电压抑制效果好，损耗低，关断时间短且线性度好。该电路主要由电容、电阻、二极管三部分构成。其中电容C1～C4的电容值相同，电阻R1～R4的阻值相同，开关管K1～K4为MOS管，而CK1～CK4为MOS管两端结电容，并假定DK1～DK4为MOS管的反向二极管。工作时，先闭合K1和K4，在电流稳定的状态下关闭开关，得到关断波形，等到电流完全降为0之后，闭合K2和K3，重复上述操作，可得到双极性方波。关断波形如图3所示，从图中可以看出，下降波形尾端存在明显的震荡。但在实际运用中，并不希望出现电流过冲与震荡的现象，所以就需要加入匹配电阻，使关断波形在t1时刻直接降为0；
S2.采用基尔霍夫定理，对RCD吸收回路的震荡阶段的状态进行分析，得到震荡微分方程；
当MOS管突然关闭时，负载线圈、负载线圈自身电阻、负载线圈自身分布电容、匹配电阻与吸收回路电容形成一个典型的二阶电路；由于吸收回路电容与负载线圈分布电容处于并联关系，可等效为一个电容，等效图如图4所示；
因此，对电路进行分析，可以得到如下方程式作为震荡微分方程：
Figure BDA0002961839250000051
式中C为RCD吸收回路的电容与负载线圈分布电容并联后的等效电容值；u(t)为开关管的等效电容两端的电压值；i(t)为负载线圈的电流值；r为RCD吸收回路的匹配电阻值；R为RCD吸收回路的电阻值；L为负载线圈的电感值
S3.对步骤S2得到的震荡微分方程进行求解，得到RCD吸收回路的匹配电阻的理论值；具体为采用如下步骤进行求解并得到匹配电阻的理论值：
A.列出震荡微分方程的特征方程为：
Figure BDA0002961839250000052
式中C为RCD吸收回路的电容与负载线圈分布电容并联后的等效电容值；u(t)为开关管的等效电容两端的电压值；i(t)为负载线圈的电流值；r为RCD吸收回路的匹配电阻值；R为RCD吸收回路的电阻值；L为负载线圈的电感值；
B.列出步骤A的特征方程的判定式为
Figure BDA0002961839250000061
C.由二阶电路分析可得，当Δ＞0时，负载线圈处于非振荡放电过程，此时关断时间被拉长；当Δ＝0时，负载线圈处于临界状态，此时关断时间最短；当Δ＜0时，负载线圈处于震荡放电过程，此时关断波形尾端出现震荡效果；等效图如图5所示；因此，令步骤B得到的判定式Δ为0，从而得到RCD吸收回路的匹配电阻的理论值为
Figure BDA0002961839250000062
或
Figure BDA0002961839250000063
S4.将步骤S3得到的理论值与实际的标准电阻值进行对比，对RCD吸收回路的匹配电阻值进行调整，从而得到最终的RCD吸收回路的匹配电阻；具体实施时，首先舍弃计算得到的理论值中不合理的一个(比如为负数的一个)；然后，由于实际市场上的电阻，并非任何电阻值都有，因此需要根据实际情况，对理论值进行调整或者采用实际市场上现成的电阻进行串并联组合，从而得到最终的RCD吸收回路的匹配电阻。
最后，本发明还提供了一种瞬变电磁发射机，该瞬变电磁发射机包括了所述的RCD吸收回路的电路，然后所述的RCD吸收回路的匹配电阻由上述的方法进行计算得到。

Claims (3)

1.一种RCD吸收回路的匹配电阻计算方法，包括如下步骤：
S1.确定RCD吸收回路的电路参数和工作状态；
S2.采用基尔霍夫定理，对RCD吸收回路的震荡阶段的状态进行分析，得到震荡微分方程；具体为采用如下方程式作为震荡微分方程：
Figure FDA0003854553680000011
式中C为RCD吸收回路的电容与负载线圈分布电容并联后的等效电容值；u(t)为开关管的等效电容两端的电压值；i(t)为负载线圈的电流值；r为RCD吸收回路的匹配电阻值；R为RCD吸收回路的电阻值；L为负载线圈的电感值；
S3.对步骤S2得到的震荡微分方程进行求解，得到RCD吸收回路的匹配电阻的理论值；
S4.将步骤S3得到的理论值与实际的标准电阻值进行对比，对RCD吸收回路的匹配电阻值进行调整，从而得到最终的RCD吸收回路的匹配电阻。
2.根据权利要求1所述的RCD吸收回路的匹配电阻计算方法，其特征在于步骤S3所述的对步骤S2得到的震荡微分方程进行求解，得到RCD吸收回路的匹配电阻的理论值，具体为采用如下步骤进行求解并得到匹配电阻的理论值：
A.列出震荡微分方程的特征方程为：
Figure FDA0003854553680000012
式中C为RCD吸收回路的电容与负载线圈分布电容并联后的等效电容值；u(t)为开关管的等效电容两端的电压值；i(t)为负载线圈的电流值；r为RCD吸收回路的匹配电阻值；R为RCD吸收回路的电阻值；L为负载线圈的电感值；
B.列出步骤A的特征方程的判定式为
Figure FDA0003854553680000021
C.令步骤B得到的判定式Δ为0，从而得到RCD吸收回路的匹配电阻的理论值为
Figure FDA0003854553680000022
或
Figure FDA0003854553680000023
3.一种瞬变电磁发射机，其特征在于包括了权利要求1或2所述的RCD吸收回路的匹配电阻计算方法。
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