一种基于升压模块的便携式地质发射机设计

邓 珊，程 磊，杨 淼

（中国船舶重工集团公司第七二二研究所，湖北 武汉 430079）

0 引 言

地质发射机是基于电磁探测技术的一种电磁探测设备。目前，地质发射机多由高压直流电源供电[1]。在野外试验中，常常需要携带庞大的电源设备。由于大量资源分布于偏远的山区或运输车难以达到的位置，不便于大型探测设备的搬运和架设，对电磁探测设备提出了轻装化要求。基于上述要求，设计一种基于升压模块的便携式地质发射机。发射机可由24 V 蓄电池直接供电，有效降低发射机体积和重量，实现电磁探测设备提出了轻装化要求，适用于野外运输和携带，可以满足用户野外地质勘探的需求。

1 设备组成

基于升压模块的便携式地质发射机主要由升压模块、发射电路和控制电路组成。便携式地质发射机组成框图如图1 所示，其中升压模块和发射电路合称为发射机主电路。

图1 便携式地质发射机组成框图

便携式地质发射机直接由24 V DC 蓄电池供电，通过升压模块升压后能为发射电路提供高压直流电压。发射电路主要是放大外部控制器输入的小信号功率，并通过发射电极将功率辐射出去。控制电路主要是生成升压模块和发射电路中功率管所需的驱动信号，并实时检测电压、电流、温度等参数，对发射机进行保护。

2 主电路设计

2.1 升压模块设计

升压模块组成框图如图2 所示。升压模块的工作原理：升压模块路将外部输入24 V DC 蓄电池的直流电压进行升压，输出高压直流电压给后级发射电路供电。

图2 升压模块组成框图

升压模块实际是一个推挽电路[2-3]。升压模块路中两个开关VT1、VT2交替导通，在绕组N1和两端分别形成相位相反的交流电压。VT1导通时，二极管VD1处于通态；VT2导通时，二极管VD2处于通态。当两个开关VT1、VT2都关断时，VD1和VD2都处于通态，VD1和VD2各分担一半的电流。VT1或VT2导通时，电感L 的电流逐渐上升；两个开关都关断时，电感L 的电流逐渐下降[4]。

升压模块路由初级带有中心抽头的变压器T1、两只开关管VT1和VT2、整流二极管D1和D2，滤波电感L、滤波电容C1和C2组成。变压器T1两个初级绕组匝数相同，两个次级绕组匝数也相同，定义变压器的匝数比

在基极驱动信号的交替作用下，两只开关管VT1、VT2经变压器T1初级绕组的中心端交替导通，每次导通时间小于半个周期。次级两只整流二极管D1、D2也轮流导通，交替经滤波电感C1滤波后输出。

升压模块路的输出电压VO和输入电压Vi的关系为：

式中，D为开关管导通时间Ton与周期Ts之比。

考虑输出回路中方波脉冲的周期为Ts/2，定义：

则输出电压可表示为：

理论上，开关管在截止时承受的电压为2Vi。如果考虑输入电压±10%的波动，则关断时有20%的尖峰电压，因此开关管承受的电压为1.1×1.2×2×Vi=2.64Vi。

如果考虑工作温度、输入电压的瞬态浪涌及电路中瞬态过程的影响，在设计时开关管承受的电压为开关管额定值的80%，则有2.64Vi=1.8VTmax，取VTmax=3.3Vi。

流过开关管电流最大值为：

在整流二极管的选择时，整流二极管上的最高反向电压为：

最大电流为：

在升压模块路中，开关管VT1、VT2采用MOSFET，型号为仙童公司的FDP047AN08A0。整流二极管D1、D2选型为RHRP8120。升压模块路输入侧电容选择为2个35 V 3 300 μF 电解电容并联，输出侧电容选择两个450 V 220 μF 并联。

设计升压模块电路中隔离变压器时，要注意磁芯偏磁的问题。解决办法：一是尽量使2 只开关管的特性一致；二是在变压器的磁芯磁路中加一定尺寸的气隙，使之在电路不平衡状态下磁通不至饱和；三是采用偏磁检测和补偿电路来适时调整2 只开关管的导通时间，使变压器2 个方向上的伏秒数相同；四是采用电流型控制芯片，使电流峰值自动平衡。因此，便携式地质发射机升压模块路的PWM 控制芯片选型为TI 公司的UC3846。

2.2 发射电路设计

发射电路是一个功率放大电路，组成框图如图3所示。发射电路完成双极性脉冲电流信号放大，经发射电极发射出去。

发射电路是由 4 只开关管 VT3、VT4、VT5、VT6组成一个H 桥电路结构。共有4 个桥臂，把桥臂VT3和VT6作为一对，桥臂VT4和VT5作为另一对。成对的两个桥臂同时导通，两对交替各导通180°。发射电路的开关管为MOSFET，型号为APT 公司的APT22F80B，驱动电路选型为IR 公司的驱动芯片IR2113。

图3 发射电路组成框图

3 控制电路设计

便携式地质发射机控制电路主要包括主控电路、驱动电路和检测电路等，组成框图如图4 所示。

图4 控制电路组成框图

控制电路采用DSP 和FPGA 相结合的方式。FPGA接收外部控制器输入的激励信号，经过FPGA 内部算法处理后，将激励信号调制成驱动电路所需的驱动信号，控制主电路开关管的开通和关断。检测电路实时检测电压、电流信号。DSP 一方面通过AD 采样，在便携式地质发射机上实时显示电压、电流信号；另一方面，当发生过压或过流故障时，DSP 进行故障判断后发出关断闭锁信号，去关断驱动电路的驱动信号，从而避免开关管损坏[5]。控制电路中，DSP 选用TMS320F28335，FPGA 选用 EP2C8Q208I8N。

4 实验数据

基于升压模块的便携式地质发射机的测试波形如图5 所示，其中驱动为64 Hz，占空比为50%的方波，负载R 为8 Ω 电阻时的发射波形。通过波形图可以发现：基于升压模块的便携式地质发射机能够输出稳定的电流波形。

5 结 论

基于升压模块的便携式地质发射机可由24 V 蓄电池直接供电，有效降低了发射机的体积和重量，实现了电磁探测设备的轻装化和集成化要求，便于携带和运输，可以在国民建设中发挥重要作用。

图5 64 Hz，50%占空比输出波形