基于二级钳位的瞬变电磁仪快速关断电路

1.本发明属于瞬变电磁仪发射机电路技术领域，具体涉及基于二级钳位的瞬变电磁仪快速关断电路。


背景技术：

2.瞬变电磁仪发射机作为瞬变电磁仪的重要组成部分，发射机的性能直接决定探测效果。发射机通过向地下发射磁场，产生一次磁场激励，然后通过接收线圈接收地质体自感产生的二次场，来判断地下物体。关断时间作为衡量发射机性能的重要参数，其值越小，探测深度就越浅，探测精度就越高。如果要实现浅层探测，就必须要实现较短的关断延迟，此外受到作业空间的限制，要实现小尺寸线圈发射，同时要保证较大的发射磁矩。
3.瞬变电磁仪在发射时，线圈流过稳定的电流，电流关断时线圈储存的能量需要通过其他路径释放，不同的释放路径就会有不同的关断速度。关断电路作为发射机的核心组成部分，不同的拓扑结构就会有不同的关断时间，使用快速关断电路就可以实现更小的关断时间。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供基于二级钳位的瞬变电磁仪快速关断电路，能够达到更快的关断速度，更线性的关断曲线。
5.本发明所采用的技术方案是，基于二级钳位的瞬变电磁仪快速关断电路，包括全桥逆变电路，全桥逆变电路的发射线圈两端并联有一级钳位电路，全桥逆变电路的逆变桥臂上下两端连接有二级钳位电路。
6.本发明的特点还在于：
7.全桥逆变电路包括第一电源u1，第一电源u1的正极连接有第一二极管d1，第一二极管d1的负极连接有第一开关管q1，第一开关管q1串联有第二开关管q2，第二开关管q2的下端与第一电源u1的负极连接；
8.还包括串联连接的第三开关管q3和第四开关管q4，第三开关管q3的上端与第一二极管d1的负极连接，第四开关管q4的下端与第一电源u1的负极连接，第一开关管q1与第二开关管q2的连接点和第三开关管q3与第四开关管q4的连接点之间连接有发射线圈。
9.发射线圈包括串联连接的电感l1和第一电阻r1，电感l1左侧和第一电阻r1的右侧之间连接有第二电阻r2，一级钳位电路连接于电感l1左侧和第一电阻r1的右侧之间。
10.一级钳位电路包括第五二极管d5、第四电阻r4和第二电容c2，第五二极管d5的负极、第四电阻r4的右侧、第二电容c2的正极与第一电阻r1的右侧连接，第五二极管d5的正极连接有第三电源u3，第三电源u3的负极连接有第四二极管d4，第四电阻r4的左侧、第二电容c2的负极与第四二极管d4的正极连接，第四二极管d4的负极与电感l1的左侧连接；
11.还包括第四电源u4、第五电阻r5和第三电容c3，第四电源u4负极、第五电阻r5的右侧、第三电容c3的负极与第一电阻r1的右侧连接，第四电源u4的正极连接有第七二极管d7；
12.还包括第六二极管d6，第四电源u4的负极、第五电阻r5的左侧、第三电容c3的正极与第六二极管d6的负极相连，第六二极管d6的正极与电感l1的左侧连接。
13.二级钳位电路包括恢复二极管d2，恢复二极管d2与第三开关管q3的上端连接；
14.还包括第三电阻r3、吸收电容c1和第三二极管d3，第三电阻r3上端、吸收电容c1正极、第三二极管d3负极与快恢复二极管d2负极连接，第三二极管d3正极连接有钳位电源u2，第三电阻r3下端、吸收电容c1负极、钳位电源u2负极与第四开关管q4下端连接。
15.发射线圈的关断时间主要由钳位电压决定，根据公式(1)：
[0016][0017]
式中，u是指线圈两端的电压，l是指线圈的电感，di/dt是指电流的变化率。
[0018]
本发明的有益效果是：
[0019]
本发明基于二级钳位的瞬变电磁仪快速关断电路，具有两级钳位吸收电路，第一级负责快速吸收尖峰电压，第二级负责吸收剩余的电流，该电路与其他电路相比，可以实现更快的关断速度，更小的拖尾电流，对于推动瞬变电磁仪的浅层应用有着很大的作用。
附图说明
[0020]
图1是本发明基于二级钳位的瞬变电磁仪快速关断电路的电路图；
[0021]
图2是有源恒压钳位电路的pspice电路仿真图；
[0022]
图3是有源恒压钳位电压为300v时发射线圈电压和电流波形图；
[0023]
图4是二级恒压钳位电路的pspice电路仿真图；
[0024]
图5是二级恒压钳位电压为300v时发射线圈电压和电流波形图；
[0025]
图6是有源恒压钳位电压300v时发射线圈电压和电流波形图；
[0026]
图7是二级恒压钳位电压300v时发射线圈电压和电流波形图。
具体实施方式
[0027]
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0028]
本发明基于二级钳位的瞬变电磁仪快速关断电路，如图1所示，包括全桥逆变电路，全桥逆变电路的发射线圈两端并联有一级钳位电路，全桥逆变电路的逆变桥臂上下两端连接有二级钳位电路。一级钳位电路可以快速吸收线圈产生的尖峰电压，二级钳位电路可以再次吸收线圈的电流，从而实现电流快速关断的目的。
[0029]
全桥逆变电路包括第一电源u1，第一电源u1的正极连接有第一二极管d1，第一二极管d1的负极连接有第一开关管q1，第一开关管q1串联有第二开关管q2，第二开关管q2的下端与第一电源u1的负极连接；
[0030]
还包括串联连接的第三开关管q3和第四开关管q4，第三开关管q3的上端与第一二极管d1的负极连接，第四开关管q4的下端与第一电源u1的负极连接，第一开关管q1与第二开关管q2的连接点和第三开关管q3与第四开关管q4的连接点之间连接有发射线圈。
[0031]
发射线圈包括串联连接的电感l1和第一电阻r1，电感l1左侧和第一电阻r1的右侧之间连接有第二电阻r2，一级钳位电路连接于电感l1左侧和第一电阻r1的右侧之间。
[0032]
一级钳位电路包括第五二极管d5、第四电阻r4和第二电容c2，所述第五二极管d5
的负极、第四电阻r4的右侧、第二电容c2的正极与第一电阻r1的右侧连接，第五二极管d5的正极连接有第三电源u3，第三电源u3的负极连接有第四二极管d4，第四电阻r4的左侧、第二电容c2的负极与第四二极管d4的正极连接，第四二极管d4的负极与电感l1的左侧连接；
[0033]
还包括第四电源u4、第五电阻r5和第三电容c3，第四电源u4负极、第五电阻r5的右侧、第三电容c3的负极与第一电阻r1的右侧连接，第四电源u4的正极连接有第七二极管d7；
[0034]
还包括第六二极管d6，第七二极管d7的负极、第五电阻r5的左侧、第三电容c3的正极与第六二极管d6的负极相连，第六二极管d6的正极与电感l1的左侧连接。
[0035]
包括恢复二极管d2，恢复二极管d2与第三开关管q3的上端连接；
[0036]
还包括第三电阻r3、吸收电容c1和第三二极管d3，第三电阻r3上端、吸收电容c1正极、第三二极管d3负极与快恢复二极管d2负极连接，第三二极管d3正极连接有钳位电源u2，第三电阻r3下端、吸收电容c1负极、钳位电源u2负极与第四开关管q4下端连接。
[0037]
传统的恒压钳位吸收电路通常只有一级钳位吸收电路，由于钳位吸收电路的导通需要场效应管的反并联二极管以及钳位二极管同时导通，所以导通时间较长，在此期间场效应管两端将承受较高电压，有击穿的风险。
[0038]
实施例1
[0039]
本发明的发射电路由两级吸收电路组成，发射线圈由r1，l1组成，当发射完场效应管关断时，一级钳位电路只需要d4或d6导通时即可进行电压吸收，因此可以快速吸收尖峰电压，吸收线圈电流，二级钳位电路需要场效应管q2，q3的反并联二极管和二极管d2同时导通时才能进行电流吸收，该级钳位电路的电容值c1较大，因此吸收主要的电流。当线圈的电压逐渐下降，低于钳位电源电压时，二极管关断，此时剩余的能量由电路r2消耗吸收，最终电流衰减为0。两级钳位电路配合工作，即可实现更快的关断速度。
[0040]
发射线圈的关断时间主要由钳位电压决定，根据下式(1)：
[0041][0042]
式中，u是指线圈两端的电压，l是指线圈的电感，di/dt是指电流的变化率。当线圈电感保持不变，电压越高，关断时间就越快。关断时间主要取决于钳位电压，与电路和线圈参数影响不大，通过调节钳位电压就能调节关断时间。
[0043]
实施例2
[0044]
数值仿真：
[0045]
基于二级钳位的瞬变电磁仪快速关断电路，利用pspice软件进行电路仿真，当发射电流，发射线圈一致时，测试传统恒压钳位电路与二级钳位电路的关断时间，关断波形，恒压钳位电路仿真电路如图2所示，二级钳位仿真电路如图4所示。
[0046]
当发射线圈和发射电流一致时，保持相同钳位电压300v，对关断时间进行对比，如图3所示使用传统恒压钳位电路的关断时间为32.24μs，如图5所示使用二级钳位吸收电路的关断时间为31.97μs，关断时间更短。
[0047]
实施例3
[0048]
电路实验：
[0049]
为了进一步验证所提出的基于二级钳位的瞬变电磁仪快速关断电路的可行性，本发明搭建了瞬变电磁仪发射机实物，进行实际电路测试。
[0050]
测试结果为，当发射线圈和发射电流一致时，保持相同钳位电压300v，对关断时间进行对比，如图6所示使用传统恒压钳位电路的关断时间为40.00μs，如图7所示使用二级钳位吸收电路的关断时间为25.60μs，关断时间更短，且二级钳位吸收电路的关断波形线性度更高，电流拖尾时间更短，实验结果与电路仿真结果一致，验证了理论的正确性。

技术特征：
1.基于二级钳位的瞬变电磁仪快速关断电路，其特征在于，包括全桥逆变电路，所述全桥逆变电路的发射线圈两端并联有一级钳位电路，所述全桥逆变电路的逆变桥臂上下两端连接有二级钳位电路。2.根据权利要求1所述的基于二级钳位的瞬变电磁仪快速关断电路，其特征在于，所述全桥逆变电路包括第一电源u1，所述第一电源u1的正极连接有第一二极管d1，所述第一二极管d1的负极连接有第一开关管q1，所述第一开关管q1串联有第二开关管q2，所述第二开关管q2的下端与第一电源u1的负极连接；还包括串联连接的第三开关管q3和第四开关管q4，所述第三开关管q3的上端与第一二极管d1的负极连接，所述第四开关管q4的下端与第一电源u1的负极连接，所述第一开关管q1与第二开关管q2的连接点和第三开关管q3与第四开关管q4的连接点之间连接有发射线圈。3.根据权利要求2所述的基于二级钳位的瞬变电磁仪快速关断电路，其特征在于，所述发射线圈包括串联连接的电感l1和第一电阻r1，所述电感l1左侧和第一电阻r1的右侧之间连接有第二电阻r2，一级钳位电路连接于电感l1左侧和第一电阻r1的右侧之间。4.根据权利要求3所述的基于二级钳位的瞬变电磁仪快速关断电路，其特征在于，所述一级钳位电路包括第五二极管d5、第四电阻r4和第二电容c2，所述第五二极管d5的负极、第四电阻r4的右侧、第二电容c2的正极与第一电阻r1的右侧连接，所述第五二极管d5的正极连接有第三电源u3，所述第三电源u3的负极连接有第四二极管d4，所述第四电阻r4的左侧、第二电容c2的负极与第四二极管d4的正极连接，所述第四二极管d4的负极与电感l1的左侧连接；还包括第四电源u4、第五电阻r5和第三电容c3，所述第四电源u4负极、第五电阻r5的右侧、第三电容c3的负极与第一电阻r1的右侧连接，所述第四电源u4的正极连接有第七二极管d7；还包括第六二极管d6，所述第四电源u4的负极、第五电阻r5的左侧、第三电容c3的正极与第六二极管d6的负极相连，所述第六二极管d6的正极与电感l1的左侧连接。5.根据权利要求1所述的基于二级钳位的瞬变电磁仪快速关断电路，其特征在于，所述二级钳位电路包括恢复二极管d2，所述恢复二极管d2与第三开关管q3的上端连接；还包括吸收电阻r3、吸收电容c1和第三二极管d3，所述第三电阻r3上端、吸收电容c1正极、第三二极管d3负极与快恢复二极管d2负极连接，所述第三二极管d3正极连接有钳位电源u2，所述第三电阻r3下端、吸收电容c1负极、钳位电源u2负极与第四开关管q4下端连接。6.根据权利要求1所述的基于二级钳位的瞬变电磁仪快速关断电路，其特征在于，所述发射线圈的关断时间主要由钳位电压决定，根据公式(1)：式中，u是指线圈两端的电压，l是指线圈的电感，di/dt是指电流的变化率。

技术总结
本发明公开了基于二级钳位的瞬变电磁仪快速关断电路，包括全桥逆变电路，全桥逆变电路的发射线圈两端并联有一级钳位电路，全桥逆变电路的逆变桥臂上下两端连接有二级钳位电路。本发明具有两级钳位吸收电路，第一级负责快速吸收尖峰电压，第二级负责吸收剩余的电流，该电路与其他电路相比，可以实现更快的关断速度，更小的拖尾电流，对于推动瞬变电磁仪的浅层应用有着很大的作用。的浅层应用有着很大的作用。的浅层应用有着很大的作用。


技术研发人员：吴朝俊 熊林海
受保护的技术使用者：西安工程大学
技术研发日：2023.05.18
技术公布日：2023/8/14