软开关斩波稳流发射机的设计与实现

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1、软开关斩波稳流发射机的设计与实现DesignandRealizationofSoftSwitchingChopperConstantCurrentTransmitter作者姓名：李骄松专业名称：电力电子与电力传动指导教师：周逢道教授学位类别：工学硕士答辩日期：2015年6月1日内容提要近年来国民经济的快速发展，对矿产资源的需求与日俱增，伴随着开采力度的不断加大，地表浅层矿藏趋于开采殆尽，地球深部隐伏资源的开采逐渐得到了重视。频率域电磁探测方法弥补了传统深部勘探的缺陷和不足，得到了广泛的应用。频率域电磁探测需要通过电性源发射系统，向大地负载发射频率、大小可控的电流波形，通过接收系统了解地下结构

2、及电阻率差异。在不改变其他参数条件下。发射机功率等级越高，有效探测深度越大；稳流控制效果越好，探测精度越高；提高发射机的功率，需要提高功率器件的功率等级，但随着功率器件功率等级的提高，其工作频率变低，响应的速度变慢，发射机可实现的稳流效果变差，继而影响探测精度；同时，采用高功率等级的开关器件会增加探测系统的研发成本；单纯提高发射机的功率等级，不仅会增加开关损耗，降低装置功率密度，而且引起强烈的电磁干扰，影响发射波形质量和探测精度。因此，为解决探测精度和探测深度这一矛盾，需要设计合理的发射机稳流拓扑结构和稳流补偿环节。本文调研了国内外主流的电性源发射系统主功率拓扑结构和稳流方式，为解决发射系统

3、功率密度低、电磁干扰强的问题，采用无源无损软开关拓扑结构，软化开关管电压、电流波形，减小开断损耗，提升EMI抑制效果。采用PWM稳流技术，相比其他电磁发射机采用的发电机励磁稳流和相控稳流技术，响应速度大大加快，稳流效果显著提高。最终实现了高功率、高效率的输出目标。软开关斩波稳流发射机的设计与实现中文摘要我国作为矿产资源大国，许多已经探明的资源储量是位居世界前列。伴随着我国经济的高速发展，对矿产资源的需求量与日俱增，但随着开采强度的不断增大，诸多地表浅层资源已被开采殆尽。为满足国民经济增长的需求，人们将目光投向了深部矿产资源的勘查与开采。频率域可控源大地电磁探测方法技术的诞生与发展，弥补了传统

4、深部矿产资源勘查的不足，从而得到了广泛的应用。频率域大地电磁探测是通过电性源发射系统，向大地负载发射波形、频率可变的脉冲电流信号，通过接收系统，了解地下结构的一种地球物理勘探技术。与天然源方法中的大地电磁法相比，采用人工发射源的频率域电磁探测方法，对探测周边环境噪声起到更强的压制效果。因此，设计并实现性能优良的电性源发射系统显得极其重要。国外的频率域电磁探测仪器起步早、水平高、性能先进。经过几十年的发展和不断的更迭，已经形成了标准商业化仪器。而国内的电磁探测设备发展较晚，但经过几十年的发展，已初具规模。为保证测量结果的准确性，要求电性源发射系统能够发射较为稳定的电流信号，由于大地负载具有各向

5、异性并可能发生变化，需要发射系统能够根据大地负载的变化对负载电流根据设定值进行实时的控制与校正。通常提高稳流发射系统的工作主频，可以加快系统环路的响应速度，减小调节的失控时间，从而提升稳流控制精度。但是，伴随着器件工作主频的上升，首先带来的负面影响是其开关损耗显著增加，发热量明显，需要配备更高规格的散热装置，功率密度较低，野外应用受到了限制。为解决测量结果准确性和功率密度低两者之间的矛盾，本文提出采用软开关斩波稳流结构作为电性源发射装置的主拓扑结构。对准谐振变换器、有源软开关变换器、无源软开关变换器等目前主流的软开关斩波技术进行不同状态分析，从逻辑控制难易程度、可实现功率等级、工作稳定性等工

6、程实用性的角度考虑，选择了无源无损斩波结构作为电性源发射机的稳流结构。同时，本文分析了无源软开关结构在不同负载情况下的运行状态，对变换器I拓扑进入硬开关斩波状态进行了数学分析，通过设定谐振电容和充电电容的比值，兼顾考虑谐振时间和开关周期之间的关系，设计出具有软开关斩波特性的电性源稳流发射系统。研究了不同载荷条件下变换器拓扑运行状态的异同，特别是对重载条件下变换器拓扑进入部分软开关状态给出了分析，并对无源软开关变换器给出了工程化设计思路。对发射系统控制电路给出详细设计，PWM控制电路占空比输出范围0~100%；为实现整机的稳定运行，设置过温、过压及过流保护电路；采用频率域开环伯德图，设置合理的

7、穿越频率及高、中、低频段的增益斜率实现PWM稳流环节设计。针对大功率发射机输出电流的指标要求，阐述了开气隙电感器的设计流程，根据气隙长度二次设计电感。整机经实测，最大发射电压1000V，发射电流20A，最大发射功率20kW。实验测得主开关电压、电流波形和谐振电容电压、电流波形均处于软开关状态，整机效率达到95%以上。关键词：电磁探测；电性源发射机；功率密度；PWM稳流；软开关；无源无损软开关斩波IIDesig