一种大深度航空电磁探测发射系统的功率拓扑电路技术方案

本实用新型专利技术提供了一种大深度航空电磁探测发射系统的功率拓扑电路，发射电流形状为半正弦，最大峰值可达800A。电路采用直升机机载电源作为输入电源，输入直流电压28V，通过DC/DC升压电路、谐振电容充电电路、RLC谐振发射电路，最终可发射最大峰值800A的半正弦电流波。DC/DC升压电路设置在直升机舱，将RLC谐振发射电路与舱下发射线圈放在一起放置在飞机舱下，用60m细线连接，对谐振电容进行充电。利用高变比升压电路实现低压、大电流到高压、小电流的一次转换，然后采用全桥电路形式的谐振电容充电电路，在发射的空闲期以高频斩波的形式对谐振电容充电，补充电能。最后经过RLC谐振发射电路把谐振电容上的能量转换成半正弦电流波形，向空间发射电磁场。向空间发射电磁场。向空间发射电磁场。

【技术实现步骤摘要】
一种大深度航空电磁探测发射系统的功率拓扑电路


[0001]本技术涉及航空地球物理探测
，尤其涉及大深度航空电磁探测系统的激励源，即发射子系统的功率拓扑电路。

技术介绍

[0002]我国重点成矿区带大部分集中在中西部戈壁、高寒地区及东北部高山森林覆盖区，不仅勘测面积广、工作量大，而且地形条件复杂多变，一般设备与人员难以进入。因此需要一种能够克服复杂的地形条件进行勘探高效的物探方法。航空电磁探测系统主要特点是使用飞机作为运载工具，克服了复杂地形不便作业的问题，而且勘探效率高，探测成本低、勘探面积广。该系统包括发射子系统、接收子系统、数据解释子系统。其中，发射子系统是整个系统的激励源，其性能的优劣对矿产资源的勘查深度与精度将产生很大影响。
[0003]直升机吊舱式航空电磁勘测的工作过程为发射系统从直升机的直流输出电源获取能量，经过电能变换，转化为激励源脉冲电流，通过发射线圈产生激励源脉冲磁场并向空间辐射，该脉冲磁场被称为一次磁场。由于发射线圈在勘探过程中始终与地面平行，因此一次磁场主要集中在垂直于地面方向。当地下存在矿体时，周期性交变的一次磁场将在矿体内部激发产生感应涡流，感应涡流将随时间的变化在矿体周围产生同频率的二次感应磁场。由于矿体内感应涡流存在涡流损耗，二次感应磁场将随着时间的推移逐渐衰减，直至为零。接收系统通过接收线圈采集二次感应磁场的衰减数据与变化率，并将其转换为电信号记录存储，通过数据处理、成像和反演，最终探明地下矿产资源的分布与储量。HTEM发射系统的全部能量由直升机供给，而直升机输出的功率却十分有限。一般直升机输出额定电压28V、电流100A直流电，然而发射的激励源脉冲电流瞬时功率可达几十千瓦。因此需要研制功率变换电路，储能技术和激励源脉冲调制电路，在满足性能指标要求的同时，尽可能提高功率拓扑电路的整体效率，实现功率密度最大化。

技术实现思路

[0004]针对国外现有的航空电磁发射系统的弊端，本技术提出了一种大深度航空电磁探测发射系统功率拓扑电路，该电路的实验目标为发射的电流波形为基频25Hz的半正弦波，即半正弦波脉冲的宽度为4ms，且峰值电流需达到800A，该电路采用直升机机载电源作为输入电源，输入直流电压28V，输入最大电流100A，最大输入功率2.8kW，分别通过DC/DC升压电路、谐振电容充电电路、RLC谐振发射电路，最终可发射最大峰值800A的半正弦电流波。上述的DC/DC升压电路以及谐振电容充电电路位于直升机机舱内，RLC谐振发射电路位于发射线圈上，两者相距60m，通过电力传输线进行电能的输送。
[0005]DC/DC升压采用全桥逆变电路以及倍压整流电路的方式，运用移相全桥软开关的控制方法，实现低压、大电流到高压、小电流的转换，倍压整流电路可实现输出电压的倍增，从而降低高频变压器的变比，省去了传统全桥变换器的滤波电感，减少了电路的重量，减轻了直升机的载重压力。通过谐振电容充电电路为谐振电容充电，以补偿每个发射周期的能
量损失，谐振电容充电电路为全桥逆变电路，采用PWM调制的方式，控制前级电路到谐振电容的充电方向和充电电流峰值。机载电源在飞机舱内，所以DC/DC升压电路在直升机舱，将RLC谐振发射电路与舱下线圈放在一起放置在飞机舱下，相距机舱60米。RLC谐振发射电路由谐振电容C
i
供能，通过对RLC谐振发射电路中的晶闸管和谐振电容充电电路中的开关管在不同的时间点进行触发和关断，控制谐振电容和发射线圈之间的能量流动，最终调制生成最大峰值800A的半正弦波发射电流。本实例采用的发射系统功率拓扑主电路如图2所示。
[0006]有益效果
[0007]本专利技术在满足性能指标要求的同时，提高了功率拓扑电路的整体效率，实现功了率密度最大化。对于进一步提升航空瞬变电磁勘探系统的探测性能具有十分重要的应用意义。
附图说明
[0008]图1、本专利技术所述拓扑主电路结构框图；
[0009]图2、本专利技术所述拓扑主电路电路图；
[0010]图3、本专利技术系统结构框图。
具体实施方式
[0011]一种大深度航空电磁探测发射系统的功率拓扑电路，包括直流电源、DC/DC升压电路、谐振电容高频充电电路、RLC谐振发射电路。
[0012]其中，所述的直流电源采用直升机机载电源作为输入电源，输入直流电压28V，输入最大电流100A，最大输入功率2.8kW。
[0013]其中，所述的DC/DC升压电路中，V
in
为直流28V电源；Q1‑
Q4为电子开关管，采用IGBT开关器件，其中，超前桥臂由两组开关管Q1和Q3组成，滞后桥臂由开关管Q2和Q4组成；D1‑
D4为续流二极管，集成在开关器件之中；C1‑
C4为谐振电容，并联在开关管上；T为功率变压器；L
r
代表变压器原边漏感和外加谐振电感的和；D
r1
和D
r2
为变压器次级输出高频整流二极管；C
r1
和C
r2
为整流电容；C
o
为谐振倍压电路输出电容，即储能电容。通过驱动电路控制开关器件的导通与截止，将直流电转换为频率为10kHz的交流电，为了减小电子开关器件的开关损耗，提高电路的效率，运用移相全桥软开关的控制方法，但是由于输入电压较低，变压器变比较大，随着输出功率的增大，会出现副边电压的占空比丢失严重问题，降低了电路的传输效率，所以采用谐振倍压电路，解决了占空比丢失严重的问题，使DC/DC升压电路输出电压达到了560V左右，满足了升压电路需求。
[0014]其中，所述的谐振电容充电电路、RLC谐振发射电路中，谐振电容充电电路包括：电子开关管Q5‑
Q8，D5‑
D8为集成在开关管器件内部中的续流二极管；充电线的寄生电感L
w
；RLC谐振发射电路包括：谐振电容C
i
，正向晶闸管T1，反向晶闸管T2，线圈电感L
coil
，线圈寄生电阻R
coil
。其中，为了减轻发射装置的重量，将谐振电容充电电路放到飞机的机舱，RLC谐振发射电路与舱下线圈放在一起，RLC谐振发射电路和谐振电容充电电路之间用60米电线连接作为能量补充通路。
[0015]其中所述的控制电路主要包括：
[0016]采样电路：对谐振电容C
i
的峰值电流、储能电容C
O
电压进行采样，传输到DSP28335
控制器中，作为反馈信号以调整控制器输出，另外通过上位机显示当前电压电流信息。
[0017]保护电路：利用比较器对采样信号和基准信号进行比较，将比较输出信号送入主控制器的IO口，若出现故障，DSP控制输出驱动信号，停止DC/DC升压电路工作。保护电路还可以采集电源信号，一样电源信号异常，可手动急停切断电源。
[0018]驱动电路：包括IGBT驱动电路以及晶闸管驱动电路。根据DSP28335的驱动信本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种大深度航空电磁探测发射系统的功率拓扑电路，其特征在于：包括拓扑主电路和控制电路，其中，拓扑主电路用于功率变换和脉冲发射，最终发射最大峰值800A的半正弦电流波；控制电路用于完成算法运算、开关管的驱动波的生成和通信，实现整体控制，其中，所述的拓扑主电路包括直流28V电源、DC/DC升压电路、谐振电容充电电路、RLC谐振发射电路，DC/DC升压电路包括电子开关管Q1‑
Q4，谐振电容充电电路包括电子开关管Q5‑
Q8，RLC谐振发射电路包括谐振电容C
i
、正向晶闸管T1、反向晶闸管T2；拓扑主电路中的直流28V电源由直升机提供，作为电路的能量供给，可给DC/DC升压电路输入最大电流100A；DC/DC升压电路采用全桥逆变电路以及倍压整流电路，其输入为直流28V电源，最终输出560V电压，输出的高压流向谐振电容充电电路，用于补偿每个发射周期RLC谐振发射电路的能量损失；谐振电容充电电路采用全桥逆变电路，用于控制谐振电容C
i
的充电方向和充电电流峰值；上述的DC/DC升压电路以及谐振电容充电电路位于直升机机舱内，RLC谐振发射电路位于发射线圈上，两者相距60m，电力传输线用于电能输送；谐振电容C
i
用于为RLC谐振发射电路供能，RLC谐振发射电路中的晶闸管T1、T2和谐振电容充电电路中的开关管Q5、Q6、Q7、Q8用于控制谐振电容C
i
和发射线圈之间的能量流动，发射线圈用于生成最大峰值800A的半正弦波发射电流。2.根据权利要求1所述的一种大深度航空电磁探测发射系统的功率拓扑电路，其特征在于，所述的控制电路包括：逻辑控制与时间同步电路、采样电路、驱动电路、保护电路、光纤通信电路；所述的逻辑控制与时间同步电路由DSP28335和GPS模块构成，GPS模块为控制器DSP28335提供发射时间基准；所述的采样电路对谐振电容C
i
的峰值电流、储能电容C
O
电压进行采样，作为反馈信号传输到控制器DSP28335中，进而调整控制器DSP28335输出的控制信号；所述的驱动电路包括IGBT驱动电路以及晶闸管驱动电路，驱动电路通过控制器DSP28335发出的驱动信号产生符合驱动功率要求的电压电流信号，驱动开关管按照时序要求开通和关断，具体的，控制器DSP28335通过IGBT驱动电路向DC/DC升压电路中的开关管Q1、Q2、Q3、Q4发送控制信号，调整占空比，用于控制储能电容C
O
的输出电压；控制器DSP28335通过IGBT驱动电路向谐振电容充电电路中的开关管Q5、Q6、Q7、Q8发送开通关断信号，调整占空比，用于控制谐振电容C
i
充电电流峰值；控制器DSP28335依次经过光纤通信电路、晶闸管驱动电路向RLC谐振发射电路中的晶闸管T1、T2按照发射时序发送开通关断信号；所述的保护电路采集采样电路获得的采样信号，将采集的信号和基准信号进行比较，将比较输出信号送入控制器DSP28335，控制控制器DSP28335输出驱动信号；所述的光纤通信电路，包括直升飞机舱内的光纤发射电路以及距离直升机机舱60m远的光纤接收电路，用于发送晶闸管的驱动信号。3.根据权利要求1所述的一种大深度航空电磁探测发射系统的功率拓扑电路，其特征在于，所述的DC/DC升压电路包括：全桥逆变电路、功率变压器T、电感L
r
、倍压整流电路；其中，全桥逆变电路包括电子开关管Q1‑
Q4、续流二极管D1‑
D4，以及谐振电容C1‑
C4，倍压整流电路包括变压器次级输出高频整流二极管D
r1
和D
r2
、整流电容C
r1
和C

【专利技术属性】
技术研发人员：张一鸣，王树增，张栋，崔龙飞，王旭红，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：新型
国别省市：