基于智能功率模塊偽隨機電磁發射機設計

陳浩

（中石化江漢石油工程有限公司頁巖氣開采技術服務公司，湖北武漢 430070）

瞬變電磁法（TEM）利用電磁感應原理，是勘查工程中常用的一種探測方法，具有反應速度快、針對性強、探測范圍廣等優點。該方法起源于國外，典型設備代表方有加拿大鳳凰公司、美國ZONGE公司和德國Metronix 公司。鳳凰V8 采用直流電壓并聯加大電流，串聯提高電壓的方式；ZONGE 公司設備的特點是輸出電壓可粗調細調，變壓器一次側和二次側分別接入三角形和星型，可消除三次諧波和零序電流；Metronix 公司把電壓△輸入轉成Y 形輸出以保護發電機，利用電極矢量控制原理來實現輸出極發射。國內研究起步較晚，市場產品與這三家公司研發的設備頗為相似[1-5]。文中結合國內外研究發現，現有設備不適用于淺層勘探，且需優化縮減成本，于是創新性地將高集成度的IPM 應用到TEM 領域，同時結合偽隨機序列對信號保真抗噪特性，力圖設計出一種集成度高、穩定性好、抗噪性能強、體積輕便的適用于淺層勘探的電磁發射機。

1 系統總體框圖設計

系統的設計框圖如圖1 所示。IPM 集成模塊是硬件電路核心，集IGBT 和各種穩態保護輸出電路于一體；Arduino 是控制系統核心，與硬件電路連接實現獨有的控制地位，還有各相對獨立的電源供應（經隔離處理不共地供電）。

圖1 IPM偽隨機電磁發射系統總體框圖

在通電狀態下，整個系統通過主控回路信號對H 橋的控制作用在線圈（偶極子）上產生瞬態脈沖電流形成交變磁場?？傠娐泛喕瘓D如圖2 所示（文中設計用的是偶極子）。

圖2 IPM偽隨機電磁發射機原理簡圖

其中，K1、K2、K3、K4表示四個額定值均為600 V、30 A 的大功率IGBT，是IPM 集成塊的重要構成，共同組成H 橋；Q5、Q6為MOS 管，調節鉗位二極管電路吸收反向電壓。文中設計的發射機系統發射脈沖能夠將關斷時間減少到100 μs。當換用頻率更高的IPM 型號時，關斷時間還能進一步減小。圖中P1、P2、P3、P4是控制四個IGBT導通時間的偽隨機信號。

2 硬件設計

系統硬件組成可以簡化為以下部分：電源電路、H 橋主干電路、IGBT 和MOSFET 管的控制信號電路、IGBT 各類輸出保護電路、反壓吸收回路、發射極等。

2.1 電 源

380 V 交流電經過隔離變壓器T0、整流橋、濾波電路然后給H 橋供電。二極管D0能夠有效防止浪涌對電源的沖擊。Q5和Q6兩個MOSFET 驅動電路的+12 V 供電電源不共地，采用兩個獨立電源。IGBT供電電源采用反激式變換電路，可滿足IGBT 驅動的電壓要求，電路如圖3 所示。

圖3 反激式變換電路

2.2 IPM功率集成電路

IPM 智能模塊將多個IGBT 及其驅動、保護系統、制動系統集成封裝，在相同條件下相較于單獨IGBT 個體而言，省去了防靜電措施，外圍組件的數目也相應減少。功率及穩態保護系統集成度增加、零散元器件減少，不僅能降低故障發生概率，進一步提高整個探測系統的穩定性，而且整個裝置體積也能大幅度縮減。IPM 模塊內部結構圖和保護功能的框圖分別如圖4 和圖5 所示。在使用IPM 集成時，選型很關鍵[6]。根據IPM 過流保護動作時極限電流值確定峰值電流及過熱保護設計，使IGBT 結溫峰值小于最大結溫值，從而保證基板溫度低于過熱動作時的溫度值。

圖4 IPM內部引腳接線結構圖

圖5 IPM保護功能圖

峰值電流由負載額定功率值而定：

式中，P為負載功率（W）；OL為變頻電源最大過載系數；λ表示電流脈動因數；η為變頻電源的能量轉換效率；φF為功率因數；UAC為交流線電壓（V）（若為直流電源供電，此處可由直流電壓與交流電壓值倍率換算）。

2.2.1 IPM功率H橋

如圖2 所示，K1、K2、K3、K4組成了H 橋。橋路中浪涌吸收部分需要隨不同組IGBT 導通做出相應動作，即K1、K4通時需D14起作用，則MOSFET 管Q6導通，反之同理。左半橋時K1、K4導通，電流走向為M→N，此時MOSFET 管Q6 導通，浪涌電壓由D14快恢復二極管鉗制；右半橋時K2、K3導通，電流流向為N→M，浪涌電壓由D14快恢復二極管鉗制。控制IGBT 的通斷時間即占空比來調節輸出電壓的大小[7-9]。同時，脈沖關斷時間可通過控制Arduino的I/O口輸出調節，將信號輸入給TX-KA962F 芯片以驅動IGBT開關動作，后面與大地相連的放電偶極子連接。

由于四個開關都處于PWM 狀態，因此開關損耗較大，主要體現在導通損耗、換相損耗和門極損耗。其中，門極損耗非常小可忽略，而導通損耗和換相損耗隨著開關頻率的增加而增加[10]。

2.2.2 IPM穩態保護電路

保護電路是維持控制系統穩定運行的必要環節，能對整個系統起到閉環負反饋穩態調節的作用，降低系統的損壞率。

圖2（以K1為例，K2、K3、K4保護電路元件參數與K1相同）是典型的RCD 型緩沖保護電路，適合于大功率電路，吸收能力較C、RC 型電路更強，設計更加簡單，所取得的實際效果也十分理想，是IGBT 緩沖吸收電路的較佳選擇[11-13]。

IGBT 總開關損耗表示為：

式中，UI和I分別表示電源電壓和負載電流；Irr為二極管峰值反向恢復電流；ta、tb為反向時間trr的兩個分量。

柵極電阻RG對IGBT 的通態電壓、開關時間、短路承受力有不同影響。在開通損耗不太大的情況下，一般按照選較大值的原則選用。

式中，IC為IGBT 的集電極電流。

上述為內部IGBT 的RCD 緩沖保護介紹，圖5 所示為整個IPM 智能模塊的保護功能圖。VI、I、FO、C*為控制端子，C、E 為主端子[14-15]。

PID（比例微分積分）穩態保護模式主要包括欠壓(UV)保護、過熱（OT）保護、過流（OC）保護、短路（SC）保護。

系統選用的IPM 采用兩級關斷模式，能有效避免IGBT 關斷瞬間產生過大的di/dt。對IPM 功率板保護最終作用點都是在電路出現各種故障時發出相應的故障信號警報并封鎖IGBT 柵極驅動，阻斷IGBT 的導通。因此，IPM 的穩態保護環節是一個閉環負反饋的PID 控制系統。

3 Arduino軟件環境實現系統控制

Arduino 作為市面上一種比較便捷靈活的開源電子平臺，具備多種型號的硬件板以及穩定的軟件開發環境。通過基于Wiring 的Arduino 編程語言和基于Processing 的開發環境編寫控制程序，然后經過串口編譯成二進制文件燒錄進AVR 微處理器，以控制器調控各半導體電子開關的導通與關斷。

3.1 偽隨機碼設定

偽隨機碼具有類似于隨機序列的基本特性，因此有較好的抗噪效果。m 序列是最基本、最重要的偽隨機序列，擁有良好的自相關性且最易于產生，其典型特征是在一個周期內出現1 比出現0 的次數多一次。

最早將m 序列引入地球物理中的是加拿大多倫多大學的學者專家[16]。國內專家于1982 年提出了偽隨機信號電法，并于21 世紀初對系統進行了進一步完善。2013 年以來，中國科學院地質與地球物理研究所開展以m 序列為發射波形的時間域電法勘探系統研發[17]。在一定范圍內，偽隨機序列的階數（長度）越高，抗噪性能越好。此外，碼元間隔、循環次數（周期）、信號幅度等都對其抗噪能力有一定影響。

經文獻[6]、[16]、[17]以及相關驗證研究，實驗過程采用的是4 階m 序列、15 個碼元、碼元間隔為8 s的m 序列，實驗過程暫不限制循環次數。部分引腳偽隨機程序如下：int pin=3；int a0=1；int a1=0；int a2=1；int a3=0；int a4=(a0+a3)%2；該部分程序定義了Arduino NANO 上3 號引腳的偽隨機序列。

3.2 導通與關斷時間的設定

IGBT 是由BJT（雙極型晶體管）和內MOSFET 組成的復合型器件，因此IGBT 關斷時間同時受控于BJT 和內MOSFET 兩部分[18]。

BJT 部分電流增益系數G：

J0為BJT 集電極電流密度；AE為發射極接觸面積；WC為集電區寬度。

電流增益α∝G：

由（5）、（6）式可知，電流增益系數G與集電極電流密度J0成反比，即與IC大小成反比；α隨IC的增大而減??；BJT 電流增益α減小，電流放大系數β隨之減小。所以，隨BJT 集電極電流IC的增大，β減?。籅JT集電極電流IC增大，IGBT 電流IC隨之增大。因此，隨IGBT 電流IC增大，β逐漸減小，進而K增大。所以相同電壓下，電流增大，K隨之增大，即ΔI占IC比例增大，拖尾電流占總電流IC的比例減小，進而關斷時間縮短。

由于IC與BJT 集電極電流密度J0成正比，得：

綜合上式可得，當電流較小時，K的變化率遠高于IC的變化率；當電流較大時，相對變化率較小。因此當IC變化量相同時，K的變化量隨IC的增大而減小。故隨著電流的增大，ΔI所占總電流比例的變化率dK=dIC逐漸減小。在相同電壓隨電流增大，ΔI占總電流比例增大，關斷時間減小的結論前提下，得出電流較小時關斷時間減小速率較大，而電流較大時關斷時間減小速率較小。由上述一系列的推導，將實際參數代入，進而可以得出控制信號時間最有效的設定值。

IGBT與外MOSFET 同時開通，但外MOSFET 導通時間段比IGBT 略長。因為電源斷電的瞬間，電容放電使得IGBT 在一瞬間仍存在較高電壓，電路中有大電流流過，反壓仍會存在，若不立刻吸收會毀壞電路元器件。同樣，電感也會在電源斷電瞬間釋放電能，此時外MOSFET 仍導通可吸收這種能量，形成對電路的有力保護。

4 實驗結果展示

由電路板制作的實物進行實驗測試，實驗結果如圖6 所示，是文中系統實驗電壓波形展示。示波器前側電壓接有×10 衰減棒，電流15 A。從圖6 中可以看到，從發射到衰減的時間極短（≦100 μs），瞬間電壓值亦是很高（受IPM 額定參數影響，有多種型號可供選用，選擇方式在式（3）已有說明），正反脈沖的間隔時間可根據實際探測深度再做進一步精確調節。

圖6 實驗恒流偽隨機方波脈沖電壓波形

5 結論

電磁探測法利用地層介質導電差異特性分析地層結構，對電磁發射系統的要求很高。此次研究有以下結論：1）IPM 高度集成優勢研制的電磁探測發射機，不僅體積大大減小，而且系統使用和維護方面更加方便。2）發射脈沖的電流越強，關斷時間越短，整個探測效果越好，二者具有累加作用。通過增加對吸收回路的設計能夠減小或抑制反向浪涌，提高系統整體的電能利用率及使用壽命。3）在減小探測盲區的同時對電磁發射系統的穩定性做了多種電路保護，類似于一個多閉環負反饋系統，系統更加安全穩定。4）理想狀態是在一個極短的瞬間發射出大電流脈沖，無盲點探測，但在實際電路系統中電流越大，受到的干擾越強，系統的穩定性也相對減弱。

此外，對于文中設計的發射機增加升壓環節，可加大MN 側的發射電流，加壓后在IPM 選型方面由文中提到的方案再整體進行改進優化，能進一步提高實際應用效果。