陳浩

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

瞬變電磁法（TEM）利用電磁感應(yīng)原理，是勘查工程中常用的一種探測(cè)方法，具有反應(yīng)速度快、針對(duì)性強(qiáng)、探測(cè)范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。該方法起源于國(guó)外，典型設(shè)備代表方有加拿大鳳凰公司、美國(guó)ZONGE公司和德國(guó)Metronix 公司。鳳凰V8 采用直流電壓并聯(lián)加大電流，串聯(lián)提高電壓的方式；ZONGE 公司設(shè)備的特點(diǎn)是輸出電壓可粗調(diào)細(xì)調(diào)，變壓器一次側(cè)和二次側(cè)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(zhuǎn)成Y 形輸出以保護(hù)發(fā)電機(jī)，利用電極矢量控制原理來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出極發(fā)射。國(guó)內(nèi)研究起步較晚，市場(chǎng)產(chǎn)品與這三家公司研發(fā)的設(shè)備頗為相似[1-5]。文中結(jié)合國(guó)內(nèi)外研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有設(shè)備不適用于淺層勘探，且需優(yōu)化縮減成本，于是創(chuàng)新性地將高集成度的IPM 應(yīng)用到TEM 領(lǐng)域，同時(shí)結(jié)合偽隨機(jī)序列對(duì)信號(hào)保真抗噪特性，力圖設(shè)計(jì)出一種集成度高、穩(wěn)定性好、抗噪性能強(qiáng)、體積輕便的適用于淺層勘探的電磁發(fā)射機(jī)。

1 系統(tǒng)總體框圖設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)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(wěn)態(tài)保護(hù)輸出電路于一體；Arduino 是控制系統(tǒng)核心，與硬件電路連接實(shí)現(xiàn)獨(dú)有的控制地位，還有各相對(duì)獨(dú)立的電源供應(yīng)（經(jīng)隔離處理不共地供電）。

圖1 IPM偽隨機(jī)電磁發(fā)射系統(tǒng)總體框圖

在通電狀態(tài)下，整個(gè)系統(tǒng)通過(guò)主控回路信號(hào)對(duì)H 橋的控制作用在線圈（偶極子）上產(chǎn)生瞬態(tài)脈沖電流形成交變磁場(chǎng)?？傠娐泛?jiǎn)化圖如圖2 所示（文中設(shè)計(jì)用的是偶極子）。

圖2 IPM偽隨機(jī)電磁發(fā)射機(jī)原理簡(jiǎn)圖

其中，K1、K2、K3、K4表示四個(gè)額定值均為600 V、30 A 的大功率IGBT，是IPM 集成塊的重要構(gòu)成，共同組成H 橋；Q5、Q6為MOS 管，調(diào)節(jié)鉗位二極管電路吸收反向電壓。文中設(shè)計(jì)的發(fā)射機(jī)系統(tǒng)發(fā)射脈沖能夠?qū)㈥P(guān)斷時(shí)間減少到100 μs。當(dāng)換用頻率更高的IPM 型號(hào)時(shí)，關(guān)斷時(shí)間還能進(jìn)一步減小。圖中P1、P2、P3、P4是控制四個(gè)IGBT導(dǎo)通時(shí)間的偽隨機(jī)信號(hào)。

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件組成可以簡(jiǎn)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(hào)電路、IGBT 各類輸出保護(hù)電路、反壓吸收回路、發(fā)射極等。

2.1 電 源

380 V 交流電經(jīng)過(guò)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(duì)電源的沖擊。Q5和Q6兩個(gè)MOSFET 驅(qū)動(dòng)電路的+12 V 供電電源不共地，采用兩個(gè)獨(dú)立電源。IGBT供電電源采用反激式變換電路，可滿足IGBT 驅(qū)動(dòng)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(gè)IGBT 及其驅(qū)動(dòng)、保護(hù)系統(tǒng)、制動(dòng)系統(tǒng)集成封裝，在相同條件下相較于單獨(dú)IGBT 個(gè)體而言，省去了防靜電措施，外圍組件的數(shù)目也相應(yīng)減少。功率及穩(wěn)態(tài)保護(hù)系統(tǒng)集成度增加、零散元器件減少，不僅能降低故障發(fā)生概率，進(jìn)一步提高整個(gè)探測(cè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，而且整個(gè)裝置體積也能大幅度縮減。IPM 模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖和保護(hù)功能的框圖分別如圖4 和圖5 所示。在使用IPM 集成時(shí)，選型很關(guān)鍵[6]。根據(jù)IPM 過(guò)流保護(hù)動(dòng)作時(shí)極限電流值確定峰值電流及過(guò)熱保護(hù)設(shè)計(jì)，使IGBT 結(jié)溫峰值小于最大結(jié)溫值，從而保證基板溫度低于過(guò)熱動(dòng)作時(shí)的溫度值。

圖4 IPM內(nèi)部引腳接線結(jié)構(gòu)圖

圖5 IPM保護(hù)功能圖

峰值電流由負(fù)載額定功率值而定：

式中，P為負(fù)載功率（W）；OL為變頻電源最大過(guò)載系數(shù)；λ表示電流脈動(dòng)因數(shù)；η為變頻電源的能量轉(zhuǎn)換效率；φF為功率因數(shù)；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(dǎo)通做出相應(yīng)動(dòng)作，即K1、K4通時(shí)需D14起作用，則MOSFET 管Q6導(dǎo)通，反之同理。左半橋時(shí)K1、K4導(dǎo)通，電流走向?yàn)镸→N，此時(shí)MOSFET 管Q6 導(dǎo)通，浪涌電壓由D14快恢復(fù)二極管鉗制；右半橋時(shí)K2、K3導(dǎo)通，電流流向?yàn)镹→M，浪涌電壓由D14快恢復(fù)二極管鉗制。控制IGBT 的通斷時(shí)間即占空比來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓的大小[7-9]。同時(shí)，脈沖關(guān)斷時(shí)間可通過(guò)控制Arduino的I/O口輸出調(diào)節(jié)，將信號(hào)輸入給TX-KA962F 芯片以驅(qū)動(dòng)IGBT開關(guān)動(dòng)作，后面與大地相連的放電偶極子連接。

由于四個(gè)開關(guān)都處于PWM 狀態(tài)，因此開關(guān)損耗較大，主要體現(xiàn)在導(dǎo)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(dǎo)通損耗和換相損耗隨著開關(guān)頻率的增加而增加[10]。

2.2.2 IPM穩(wěn)態(tài)保護(hù)電路

保護(hù)電路是維持控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的必要環(huán)節(jié)，能對(duì)整個(gè)系統(tǒng)起到閉環(huán)負(fù)反饋穩(wěn)態(tài)調(diào)節(jié)的作用，降低系統(tǒng)的損壞率。

圖2（以K1為例，K2、K3、K4保護(hù)電路元件參數(shù)與K1相同）是典型的RCD 型緩沖保護(hù)電路，適合于大功率電路，吸收能力較C、RC 型電路更強(qiáng)，設(shè)計(jì)更加簡(jiǎn)單，所取得的實(shí)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(guān)損耗表示為：

式中，UI和I分別表示電源電壓和負(fù)載電流；Irr為二極管峰值反向恢復(fù)電流；ta、tb為反向時(shí)間trr的兩個(gè)分量。

柵極電阻RG對(duì)IGBT 的通態(tài)電壓、開關(guān)時(shí)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(nèi)部IGBT 的RCD 緩沖保護(hù)介紹，圖5 所示為整個(gè)IPM 智能模塊的保護(hù)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(wěn)態(tài)保護(hù)模式主要包括欠壓(UV)保護(hù)、過(guò)熱（OT）保護(hù)、過(guò)流（OC）保護(hù)、短路（SC）保護(hù)。

系統(tǒng)選用的IPM 采用兩級(jí)關(guān)斷模式，能有效避免IGBT 關(guān)斷瞬間產(chǎn)生過(guò)大的di/dt。對(duì)IPM 功率板保護(hù)最終作用點(diǎn)都是在電路出現(xiàn)各種故障時(shí)發(fā)出相應(yīng)的故障信號(hào)警報(bào)并封鎖IGBT 柵極驅(qū)動(dòng)，阻斷IGBT 的導(dǎo)通。因此，IPM 的穩(wěn)態(tài)保護(hù)環(huán)節(jié)是一個(gè)閉環(huán)負(fù)反饋的PID 控制系統(tǒng)。

3 Arduino軟件環(huán)境實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制

Arduino 作為市面上一種比較便捷靈活的開源電子平臺(tái)，具備多種型號(hào)的硬件板以及穩(wěn)定的軟件開發(fā)環(huán)境。通過(guò)基于Wiring 的Arduino 編程語(yǔ)言和基于Processing 的開發(fā)環(huán)境編寫控制程序，然后經(jīng)過(guò)串口編譯成二進(jìn)制文件燒錄進(jìn)AVR 微處理器，以控制器調(diào)控各半導(dǎo)體電子開關(guān)的導(dǎo)通與關(guān)斷。

3.1 偽隨機(jī)碼設(shè)定

偽隨機(jī)碼具有類似于隨機(jī)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(jī)序列，擁有良好的自相關(guān)性且最易于產(chǎn)生，其典型特征是在一個(gè)周期內(nèi)出現(xiàn)1 比出現(xiàn)0 的次數(shù)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(xué)的學(xué)者專家[16]。國(guó)內(nèi)專家于1982 年提出了偽隨機(jī)信號(hào)電法，并于21 世紀(jì)初對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了進(jìn)一步完善。2013 年以來(lái)，中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所開展以m 序列為發(fā)射波形的時(shí)間域電法勘探系統(tǒng)研發(fā)[17]。在一定范圍內(nèi)，偽隨機(jī)序列的階數(shù)（長(zhǎng)度）越高，抗噪性能越好。此外，碼元間隔、循環(huán)次數(shù)（周期）、信號(hào)幅度等都對(duì)其抗噪能力有一定影響。

經(jīng)文獻(xiàn)[6]、[16]、[17]以及相關(guān)驗(yàn)證研究，實(shí)驗(yàn)過(guò)程采用的是4 階m 序列、15 個(gè)碼元、碼元間隔為8 s的m 序列，實(shí)驗(yàn)過(guò)程暫不限制循環(huán)次數(shù)。部分引腳偽隨機(jī)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(hào)引腳的偽隨機(jī)序列。

3.2 導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間的設(shè)定

IGBT 是由BJT（雙極型晶體管）和內(nèi)MOSFET 組成的復(fù)合型器件，因此IGBT 關(guān)斷時(shí)間同時(shí)受控于BJT 和內(nèi)MOSFET 兩部分[18]。

BJT 部分電流增益系數(shù)G：

J0為BJT 集電極電流密度；AE為發(fā)射極接觸面積；WC為集電區(qū)寬度。

電流增益α∝G：

由（5）、（6）式可知，電流增益系數(shù)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?。籅JT 電流增益α減小，電流放大系數(shù)β隨之減小。所以，隨BJT 集電極電流IC的增大，β減小；BJT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(jìn)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(jìn)而關(guān)斷時(shí)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(dāng)電流較小時(shí)，K的變化率遠(yuǎn)高于IC的變化率；當(dāng)電流較大時(shí)，相對(duì)變化率較小。因此當(dāng)IC變化量相同時(shí)，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(guān)斷時(shí)間減小的結(jié)論前提下，得出電流較小時(shí)關(guān)斷時(shí)間減小速率較大，而電流較大時(shí)關(guān)斷時(shí)間減小速率較小。由上述一系列的推導(dǎo)，將實(shí)際參數(shù)代入，進(jìn)而可以得出控制信號(hào)時(shí)間最有效的設(shè)定值。

IGBT與外MOSFET 同時(shí)開通，但外MOSFET 導(dǎo)通時(shí)間段比IGBT 略長(zhǎng)。因?yàn)殡娫磾嚯姷乃查g，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(guò)，反壓仍會(huì)存在，若不立刻吸收會(huì)毀壞電路元器件。同樣，電感也會(huì)在電源斷電瞬間釋放電能，此時(shí)外MOSFET 仍導(dǎo)通可吸收這種能量，形成對(duì)電路的有力保護(hù)。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果展示

由電路板制作的實(shí)物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示，是文中系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)電壓波形展示。示波器前側(cè)電壓接有×10 衰減棒，電流15 A。從圖6 中可以看到，從發(fā)射到衰減的時(shí)間極短（≦100 μs），瞬間電壓值亦是很高（受IPM 額定參數(shù)影響，有多種型號(hào)可供選用，選擇方式在式（3）已有說(shuō)明），正反脈沖的間隔時(shí)間可根據(jù)實(shí)際探測(cè)深度再做進(jìn)一步精確調(diào)節(jié)。

圖6 實(shí)驗(yàn)恒流偽隨機(jī)方波脈沖電壓波形

5 結(jié)論

電磁探測(cè)法利用地層介質(zhì)導(dǎo)電差異特性分析地層結(jié)構(gòu)，對(duì)電磁發(fā)射系統(tǒng)的要求很高。此次研究有以下結(jié)論：1）IPM 高度集成優(yōu)勢(shì)研制的電磁探測(cè)發(fā)射機(jī)，不僅體積大大減小，而且系統(tǒng)使用和維護(hù)方面更加方便。2）發(fā)射脈沖的電流越強(qiáng)，關(guān)斷時(shí)間越短，整個(gè)探測(cè)效果越好，二者具有累加作用。通過(guò)增加對(duì)吸收回路的設(shè)計(jì)能夠減小或抑制反向浪涌，提高系統(tǒng)整體的電能利用率及使用壽命。3）在減小探測(cè)盲區(qū)的同時(shí)對(duì)電磁發(fā)射系統(tǒng)的穩(wěn)定性做了多種電路保護(hù)，類似于一個(gè)多閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)，系統(tǒng)更加安全穩(wěn)定。4）理想狀態(tài)是在一個(gè)極短的瞬間發(fā)射出大電流脈沖，無(wú)盲點(diǎn)探測(cè)，但在實(shí)際電路系統(tǒng)中電流越大，受到的干擾越強(qiáng)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性也相對(duì)減弱。

此外，對(duì)于文中設(shè)計(jì)的發(fā)射機(jī)增加升壓環(huán)節(jié)，可加大MN 側(cè)的發(fā)射電流，加壓后在IPM 選型方面由文中提到的方案再整體進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，能進(jìn)一步提高實(shí)際應(yīng)用效果。