基于智能功率模块伪随机电磁发射机设计

陈浩

（中石化江汉石油工程有限公司页岩气开采技术服务公司，湖北武汉 430070）

瞬变电磁法（TEM）利用电磁感应原理，是勘查工程中常用的一种探测方法，具有反应速度快、针对性强、探测范围广等优点。该方法起源于国外，典型设备代表方有加拿大凤凰公司、美国ZONGE公司和德国Metronix 公司。凤凰V8 采用直流电压并联加大电流，串联提高电压的方式；ZONGE 公司设备的特点是输出电压可粗调细调，变压器一次侧和二次侧分别接入三角形和星型，可消除三次谐波和零序电流；Metronix 公司把电压△输入转成Y 形输出以保护发电机，利用电极矢量控制原理来实现输出极发射。国内研究起步较晚，市场产品与这三家公司研发的设备颇为相似[1-5]。文中结合国内外研究发现，现有设备不适用于浅层勘探，且需优化缩减成本，于是创新性地将高集成度的IPM 应用到TEM 领域，同时结合伪随机序列对信号保真抗噪特性，力图设计出一种集成度高、稳定性好、抗噪性能强、体积轻便的适用于浅层勘探的电磁发射机。

1 系统总体框图设计

系统的设计框图如图1 所示。IPM 集成模块是硬件电路核心，集IGBT 和各种稳态保护输出电路于一体；Arduino 是控制系统核心，与硬件电路连接实现独有的控制地位，还有各相对独立的电源供应（经隔离处理不共地供电）。

图1 IPM伪随机电磁发射系统总体框图

在通电状态下，整个系统通过主控回路信号对H 桥的控制作用在线圈（偶极子）上产生瞬态脉冲电流形成交变磁场。总电路简化图如图2 所示（文中设计用的是偶极子）。

图2 IPM伪随机电磁发射机原理简图

其中，K1、K2、K3、K4表示四个额定值均为600 V、30 A 的大功率IGBT，是IPM 集成块的重要构成，共同组成H 桥；Q5、Q6为MOS 管，调节钳位二极管电路吸收反向电压。文中设计的发射机系统发射脉冲能够将关断时间减少到100 μs。当换用频率更高的IPM 型号时，关断时间还能进一步减小。图中P1、P2、P3、P4是控制四个IGBT导通时间的伪随机信号。

2 硬件设计

系统硬件组成可以简化为以下部分：电源电路、H 桥主干电路、IGBT 和MOSFET 管的控制信号电路、IGBT 各类输出保护电路、反压吸收回路、发射极等。

2.1 电 源

380 V 交流电经过隔离变压器T0、整流桥、滤波电路然后给H 桥供电。二极管D0能够有效防止浪涌对电源的冲击。Q5和Q6两个MOSFET 驱动电路的+12 V 供电电源不共地，采用两个独立电源。IGBT供电电源采用反激式变换电路，可满足IGBT 驱动的电压要求，电路如图3 所示。

图3 反激式变换电路

2.2 IPM功率集成电路

IPM 智能模块将多个IGBT 及其驱动、保护系统、制动系统集成封装，在相同条件下相较于单独IGBT 个体而言，省去了防静电措施，外围组件的数目也相应减少。功率及稳态保护系统集成度增加、零散元器件减少，不仅能降低故障发生概率，进一步提高整个探测系统的稳定性，而且整个装置体积也能大幅度缩减。IPM 模块内部结构图和保护功能的框图分别如图4 和图5 所示。在使用IPM 集成时，选型很关键[6]。根据IPM 过流保护动作时极限电流值确定峰值电流及过热保护设计，使IGBT 结温峰值小于最大结温值，从而保证基板温度低于过热动作时的温度值。

图4 IPM内部引脚接线结构图

图5 IPM保护功能图

峰值电流由负载额定功率值而定：

式中，P为负载功率（W）；OL为变频电源最大过载系数；λ表示电流脉动因数；η为变频电源的能量转换效率；φF为功率因数；UAC为交流线电压（V）（若为直流电源供电，此处可由直流电压与交流电压值倍率换算）。

2.2.1 IPM功率H桥

如图2 所示，K1、K2、K3、K4组成了H 桥。桥路中浪涌吸收部分需要随不同组IGBT 导通做出相应动作，即K1、K4通时需D14起作用，则MOSFET 管Q6导通，反之同理。左半桥时K1、K4导通，电流走向为M→N，此时MOSFET 管Q6 导通，浪涌电压由D14快恢复二极管钳制；右半桥时K2、K3导通，电流流向为N→M，浪涌电压由D14快恢复二极管钳制。控制IGBT 的通断时间即占空比来调节输出电压的大小[7-9]。同时，脉冲关断时间可通过控制Arduino的I/O口输出调节，将信号输入给TX-KA962F 芯片以驱动IGBT开关动作，后面与大地相连的放电偶极子连接。

由于四个开关都处于PWM 状态，因此开关损耗较大，主要体现在导通损耗、换相损耗和门极损耗。其中，门极损耗非常小可忽略，而导通损耗和换相损耗随着开关频率的增加而增加[10]。

2.2.2 IPM稳态保护电路

保护电路是维持控制系统稳定运行的必要环节，能对整个系统起到闭环负反馈稳态调节的作用，降低系统的损坏率。

图2（以K1为例，K2、K3、K4保护电路元件参数与K1相同）是典型的RCD 型缓冲保护电路，适合于大功率电路，吸收能力较C、RC 型电路更强，设计更加简单，所取得的实际效果也十分理想，是IGBT 缓冲吸收电路的较佳选择[11-13]。

IGBT 总开关损耗表示为：

式中，UI和I分别表示电源电压和负载电流；Irr为二极管峰值反向恢复电流；ta、tb为反向时间trr的两个分量。

栅极电阻RG对IGBT 的通态电压、开关时间、短路承受力有不同影响。在开通损耗不太大的情况下，一般按照选较大值的原则选用。

式中，IC为IGBT 的集电极电流。

上述为内部IGBT 的RCD 缓冲保护介绍，图5 所示为整个IPM 智能模块的保护功能图。VI、I、FO、C*为控制端子，C、E 为主端子[14-15]。

PID（比例微分积分）稳态保护模式主要包括欠压(UV)保护、过热（OT）保护、过流（OC）保护、短路（SC）保护。

系统选用的IPM 采用两级关断模式，能有效避免IGBT 关断瞬间产生过大的di/dt。对IPM 功率板保护最终作用点都是在电路出现各种故障时发出相应的故障信号警报并封锁IGBT 栅极驱动，阻断IGBT 的导通。因此，IPM 的稳态保护环节是一个闭环负反馈的PID 控制系统。

3 Arduino软件环境实现系统控制

Arduino 作为市面上一种比较便捷灵活的开源电子平台，具备多种型号的硬件板以及稳定的软件开发环境。通过基于Wiring 的Arduino 编程语言和基于Processing 的开发环境编写控制程序，然后经过串口编译成二进制文件烧录进AVR 微处理器，以控制器调控各半导体电子开关的导通与关断。

3.1 伪随机码设定

伪随机码具有类似于随机序列的基本特性，因此有较好的抗噪效果。m 序列是最基本、最重要的伪随机序列，拥有良好的自相关性且最易于产生，其典型特征是在一个周期内出现1 比出现0 的次数多一次。

最早将m 序列引入地球物理中的是加拿大多伦多大学的学者专家[16]。国内专家于1982 年提出了伪随机信号电法，并于21 世纪初对系统进行了进一步完善。2013 年以来，中国科学院地质与地球物理研究所开展以m 序列为发射波形的时间域电法勘探系统研发[17]。在一定范围内，伪随机序列的阶数（长度）越高，抗噪性能越好。此外，码元间隔、循环次数（周期）、信号幅度等都对其抗噪能力有一定影响。

经文献[6]、[16]、[17]以及相关验证研究，实验过程采用的是4 阶m 序列、15 个码元、码元间隔为8 s的m 序列，实验过程暂不限制循环次数。部分引脚伪随机程序如下：int pin=3；int a0=1；int a1=0；int a2=1；int a3=0；int a4=(a0+a3)%2；该部分程序定义了Arduino NANO 上3 号引脚的伪随机序列。

3.2 导通与关断时间的设定

IGBT 是由BJT（双极型晶体管）和内MOSFET 组成的复合型器件，因此IGBT 关断时间同时受控于BJT 和内MOSFET 两部分[18]。

BJT 部分电流增益系数G：

J0为BJT 集电极电流密度；AE为发射极接触面积；WC为集电区宽度。

电流增益α∝G：

由（5）、（6）式可知，电流增益系数G与集电极电流密度J0成反比，即与IC大小成反比；α随IC的增大而减小；BJT 电流增益α减小，电流放大系数β随之减小。所以，随BJT 集电极电流IC的增大，β减小；BJT集电极电流IC增大，IGBT 电流IC随之增大。因此，随IGBT 电流IC增大，β逐渐减小，进而K增大。所以相同电压下，电流增大，K随之增大，即ΔI占IC比例增大，拖尾电流占总电流IC的比例减小，进而关断时间缩短。

由于IC与BJT 集电极电流密度J0成正比，得：

综合上式可得，当电流较小时，K的变化率远高于IC的变化率；当电流较大时，相对变化率较小。因此当IC变化量相同时，K的变化量随IC的增大而减小。故随着电流的增大，ΔI所占总电流比例的变化率dK=dIC逐渐减小。在相同电压随电流增大，ΔI占总电流比例增大，关断时间减小的结论前提下，得出电流较小时关断时间减小速率较大，而电流较大时关断时间减小速率较小。由上述一系列的推导，将实际参数代入，进而可以得出控制信号时间最有效的设定值。

IGBT与外MOSFET 同时开通，但外MOSFET 导通时间段比IGBT 略长。因为电源断电的瞬间，电容放电使得IGBT 在一瞬间仍存在较高电压，电路中有大电流流过，反压仍会存在，若不立刻吸收会毁坏电路元器件。同样，电感也会在电源断电瞬间释放电能，此时外MOSFET 仍导通可吸收这种能量，形成对电路的有力保护。

4 实验结果展示

由电路板制作的实物进行实验测试，实验结果如图6 所示，是文中系统实验电压波形展示。示波器前侧电压接有×10 衰减棒，电流15 A。从图6 中可以看到，从发射到衰减的时间极短（≦100 μs），瞬间电压值亦是很高（受IPM 额定参数影响，有多种型号可供选用，选择方式在式（3）已有说明），正反脉冲的间隔时间可根据实际探测深度再做进一步精确调节。

图6 实验恒流伪随机方波脉冲电压波形

5 结论

电磁探测法利用地层介质导电差异特性分析地层结构，对电磁发射系统的要求很高。此次研究有以下结论：1）IPM 高度集成优势研制的电磁探测发射机，不仅体积大大减小，而且系统使用和维护方面更加方便。2）发射脉冲的电流越强，关断时间越短，整个探测效果越好，二者具有累加作用。通过增加对吸收回路的设计能够减小或抑制反向浪涌，提高系统整体的电能利用率及使用寿命。3）在减小探测盲区的同时对电磁发射系统的稳定性做了多种电路保护，类似于一个多闭环负反馈系统，系统更加安全稳定。4）理想状态是在一个极短的瞬间发射出大电流脉冲，无盲点探测，但在实际电路系统中电流越大，受到的干扰越强，系统的稳定性也相对减弱。

此外，对于文中设计的发射机增加升压环节，可加大MN 侧的发射电流，加压后在IPM 选型方面由文中提到的方案再整体进行改进优化，能进一步提高实际应用效果。