一種基于升壓模塊的便攜式地質發射機設計

鄧 珊，程 磊，楊 淼

（中國船舶重工集團公司第七二二研究所，湖北 武漢 430079）

0 引 言

地質發射機是基于電磁探測技術的一種電磁探測設備。目前，地質發射機多由高壓直流電源供電[1]。在野外試驗中，常常需要攜帶龐大的電源設備。由于大量資源分布于偏遠的山區或運輸車難以達到的位置，不便于大型探測設備的搬運和架設，對電磁探測設備提出了輕裝化要求。基于上述要求，設計一種基于升壓模塊的便攜式地質發射機。發射機可由24 V 蓄電池直接供電，有效降低發射機體積和重量，實現電磁探測設備提出了輕裝化要求，適用于野外運輸和攜帶，可以滿足用戶野外地質勘探的需求。

1 設備組成

基于升壓模塊的便攜式地質發射機主要由升壓模塊、發射電路和控制電路組成。便攜式地質發射機組成框圖如圖1 所示，其中升壓模塊和發射電路合稱為發射機主電路。

圖1 便攜式地質發射機組成框圖

便攜式地質發射機直接由24 V DC 蓄電池供電，通過升壓模塊升壓后能為發射電路提供高壓直流電壓。發射電路主要是放大外部控制器輸入的小信號功率，并通過發射電極將功率輻射出去。控制電路主要是生成升壓模塊和發射電路中功率管所需的驅動信號，并實時檢測電壓、電流、溫度等參數，對發射機進行保護。

2 主電路設計

2.1 升壓模塊設計

升壓模塊組成框圖如圖2 所示。升壓模塊的工作原理：升壓模塊路將外部輸入24 V DC 蓄電池的直流電壓進行升壓，輸出高壓直流電壓給后級發射電路供電。

圖2 升壓模塊組成框圖

升壓模塊實際是一個推挽電路[2-3]。升壓模塊路中兩個開關VT1、VT2交替導通，在繞組N1和兩端分別形成相位相反的交流電壓。VT1導通時，二極管VD1處于通態；VT2導通時，二極管VD2處于通態。當兩個開關VT1、VT2都關斷時，VD1和VD2都處于通態，VD1和VD2各分擔一半的電流。VT1或VT2導通時，電感L 的電流逐漸上升；兩個開關都關斷時，電感L 的電流逐漸下降[4]。

升壓模塊路由初級帶有中心抽頭的變壓器T1、兩只開關管VT1和VT2、整流二極管D1和D2，濾波電感L、濾波電容C1和C2組成。變壓器T1兩個初級繞組匝數相同，兩個次級繞組匝數也相同，定義變壓器的匝數比

在基極驅動信號的交替作用下，兩只開關管VT1、VT2經變壓器T1初級繞組的中心端交替導通，每次導通時間小于半個周期。次級兩只整流二極管D1、D2也輪流導通，交替經濾波電感C1濾波后輸出。

升壓模塊路的輸出電壓VO和輸入電壓Vi的關系為：

式中，D為開關管導通時間Ton與周期Ts之比。

考慮輸出回路中方波脈沖的周期為Ts/2，定義：

則輸出電壓可表示為：

理論上，開關管在截止時承受的電壓為2Vi。如果考慮輸入電壓±10%的波動，則關斷時有20%的尖峰電壓，因此開關管承受的電壓為1.1×1.2×2×Vi=2.64Vi。

如果考慮工作溫度、輸入電壓的瞬態浪涌及電路中瞬態過程的影響，在設計時開關管承受的電壓為開關管額定值的80%，則有2.64Vi=1.8VTmax，取VTmax=3.3Vi。

流過開關管電流最大值為：

在整流二極管的選擇時，整流二極管上的最高反向電壓為：

最大電流為：

在升壓模塊路中，開關管VT1、VT2采用MOSFET，型號為仙童公司的FDP047AN08A0。整流二極管D1、D2選型為RHRP8120。升壓模塊路輸入側電容選擇為2個35 V 3 300 μF 電解電容并聯，輸出側電容選擇兩個450 V 220 μF 并聯。

設計升壓模塊電路中隔離變壓器時，要注意磁芯偏磁的問題。解決辦法：一是盡量使2 只開關管的特性一致；二是在變壓器的磁芯磁路中加一定尺寸的氣隙，使之在電路不平衡狀態下磁通不至飽和；三是采用偏磁檢測和補償電路來適時調整2 只開關管的導通時間，使變壓器2 個方向上的伏秒數相同；四是采用電流型控制芯片，使電流峰值自動平衡。因此，便攜式地質發射機升壓模塊路的PWM 控制芯片選型為TI 公司的UC3846。

2.2 發射電路設計

發射電路是一個功率放大電路，組成框圖如圖3所示。發射電路完成雙極性脈沖電流信號放大，經發射電極發射出去。

發射電路是由 4 只開關管 VT3、VT4、VT5、VT6組成一個H 橋電路結構。共有4 個橋臂，把橋臂VT3和VT6作為一對，橋臂VT4和VT5作為另一對。成對的兩個橋臂同時導通，兩對交替各導通180°。發射電路的開關管為MOSFET，型號為APT 公司的APT22F80B，驅動電路選型為IR 公司的驅動芯片IR2113。

圖3 發射電路組成框圖

3 控制電路設計

便攜式地質發射機控制電路主要包括主控電路、驅動電路和檢測電路等，組成框圖如圖4 所示。

圖4 控制電路組成框圖

控制電路采用DSP 和FPGA 相結合的方式。FPGA接收外部控制器輸入的激勵信號，經過FPGA 內部算法處理后，將激勵信號調制成驅動電路所需的驅動信號，控制主電路開關管的開通和關斷。檢測電路實時檢測電壓、電流信號。DSP 一方面通過AD 采樣，在便攜式地質發射機上實時顯示電壓、電流信號；另一方面，當發生過壓或過流故障時，DSP 進行故障判斷后發出關斷閉鎖信號，去關斷驅動電路的驅動信號，從而避免開關管損壞[5]。控制電路中，DSP 選用TMS320F28335，FPGA 選用 EP2C8Q208I8N。

4 實驗數據

基于升壓模塊的便攜式地質發射機的測試波形如圖5 所示，其中驅動為64 Hz，占空比為50%的方波，負載R 為8 Ω 電阻時的發射波形。通過波形圖可以發現：基于升壓模塊的便攜式地質發射機能夠輸出穩定的電流波形。

5 結 論

基于升壓模塊的便攜式地質發射機可由24 V 蓄電池直接供電，有效降低了發射機的體積和重量，實現了電磁探測設備的輕裝化和集成化要求，便于攜帶和運輸，可以在國民建設中發揮重要作用。

圖5 64 Hz，50%占空比輸出波形