[科普中国]-电磁探测特种电源

研究背景

能源争夺是国际竞争的永久话题，能源勘察是能源竞争的基础。能源勘察不仅影响当前经济的发展，也是国家制定发展规划的基础，制约着国家经济的可持续发展；工程地质勘察、地下水资源勘查、灾害地质调查在国家基础建设、环境保护、国家安全中发挥了越来越大的作用。1999年，国土资源部启动了为期12年的国土资源大调查专项工作，探测分析技术和信息技术是大调查的重点工作之一。作为地质勘察技术，电磁探测技术广泛地得到各个国家政府、研究单位、企业的高度重视。我国对探测仪器的需求大量依赖进口，发展自己的电磁探测技术与仪器，非常紧迫。

电磁探测仪器一般由激励场源（天然场源的大地电磁法除外）、接收仪器等组成，激励场源性能的好坏直接影响到地质体感应信号的质量，因此，激励场源的研究是地学仪器的重要课题。1

瞬变电磁法瞬变电磁法基本原理电磁探测技术是地球物理勘探技术的一大种类，从场源的形式，分为人工场源和天然场源；从场源的性质，分为电耦源和磁耦源两类；按响应的性质，分为频域电磁法和时间域电磁法。

瞬变电磁法（TransientElectroMagnetic，简称TEM），或称时间域电磁法（Timedomainelectromagnetic，简称TDEM），是一种利用电磁法原理进行地质勘探的先进技术。以接地导线通以脉冲电流为激励场源，称电耦源瞬变电磁法；以不接地导线通以脉冲电流为激励场源，称磁耦源瞬变电磁法。TEM最早由Ward于1938年提出，50年代，原苏联提出了远区和近区建场法，1962年，加拿大Barringer公司的INPUT系统投入使用。此后，国内外各研究机构和生产厂家,不断推出智能化瞬变电磁仪。

磁耦源瞬变电磁法工作模式分同点装置、偶极装置和大定回线装置三种。图为大定回线装置系统框图，系统由发射系统和接收系统两部分构成。1

系统各部分作用如下：

发射机系统：由电池组、瞬变电磁发射机、发射线圈、GPS同步控制器组成，用于产生激励电流波形，负载为发射线圈。激励电流有双极性电流脉冲、三角波和半正弦波几种。但最常用的是双极性电流脉冲，发射波形频率在0.0625~32Hz之间，发射功率为数百瓦~数十千瓦，发射电流为几安培至上百安培，发射时序由GPS同步控制器产生。

接收机系统：由瞬变电磁信号接收机、接收线圈、GPS同步控制器组成。接收地质体的感应信号，传感器为接收线圈、有源磁探头或高温超导量子干涉仪，接收由GPS同步控制器控制。

GPS同步控制器：用于协调发射机、接收机的时序（在同点装置或小回线应用时也可采用电缆同步）。

在大定回线装置系统中，为了提高工作效率，多套接收系统可以同时同步工作。1

瞬变电磁法发射技术的关键问题实际的发射机不可能做到理想的阶跃电流激励，存在关断延时，在电流下降沿期间，存在一次场和二磁场的混叠。为了提高浅层探测能力，应缩短发射机的关断延时，将数据采集起始时刻尽量前移。另外，发射机还存在开关噪声、下降沿波形无规律、受负载变化影响等问题。

①发射电流波形类型

瞬变电磁法的激励场源分单极性和双极性电流脉冲两类。产生单极性电流脉冲的原理近似于照相机闪光灯原理，利用电容存储高能量，在瞬间释放，可产生高达100A的放电电流，这种技术也叫能量压缩技术。

单极性场源产生的响应信号强，仪器节能、低损耗，但存在明显缺点：由于脉冲很窄，上升沿和下降沿产生的电磁响应混迭在一起，上升沿的影响不能忽略；设计加速电流下降和改善下降沿波形的电感能量释放回路很困难；对于双极性激励，可采用正向、负向响应相减的办法，消除运算放大器零点，但单极性激励无法采用这种技术。因此，目前的TEM系统一般采用双极性场源。1

②关断延时对TEM响应的影响

关断延时越小，谐波分量越丰富，对探测浅部信息越有利，浅部地质结构产生的响应衰减较快，反映在TEM接收信号早期，深部地质结构产生的响应衰减较慢，反映在TEM接收信号晚期。

③电流下降沿波形形状影响

由于负载呈感性，电流一般呈指数上升，需要经过一段时间才能达到稳态；在电流下降沿，由于不同发射机的电感能量泄放回路拓扑结构的不同，下降沿形状变化较多，较普遍的是呈指数规律下降，也可能是线性或其他函数。电流下降沿波形与电感能量释放网络结构、负载电感量、负载电阻、发射电流、器件参数有关。电子开关的极间电容产生振荡、二极管的恢复时间会造成电流过冲、IGBT拖尾电流使波形畸变、非理想的驱动信号都会造成电流波形失真。

④发射电流大小

大的发射电流有利于增强信噪比，并增强深部地质结构的电磁响应，因此，总是希望发射电流越大越好。目前，双极性脉冲电流一般在50A以内。1

准谐振高速关断电路耗能型准谐振高速关断电路电路原理：

提出的耗能型准谐振高速关断电路见图虚线框内电路。常规RCD吸收电路、PCB深孔电镀电源等电路的关断延时与电源相关，由此设想，如果在关断期间阻断负载与电源的续流通路，其性能就有可能得到改善。根据该思想，在母线上加二极管D3，在关断期间的续流由虚线框内电路完成。

分析电路工作原理：

①正向供电时，开关J1、J4、J6导通，J5、J2、J3截止，在负载得到正向电流。假设正向供电时间足够长，电流上升达到稳态I0。

②在停供时，J1、J4截止，由于J6预先开通，L、RL、J6、D2、RC网络形成续流回路，负载能量一部分由R1消耗，另一部分存储到C1中。当电感电流下降为零后，电容C1存储能量需再经过一段时间，才能由R1消耗完毕，J6截止。

③反向供电情况与上类似：在供电期间J5导通，关断的续流回路由L、RC网络、D1、J5、RL构成。1

馈能型准谐振高速关断电路发射电路在TEM大回线工作方式耗能可达数十瓦，如果去掉上图中的R1（见右图），主开关关断时，将电感能量暂存于电容中，在下一个脉冲上升沿通过负载释放，实现能量的回馈，由于在放电初期电容电压远大于供电电压，因此可提升脉冲上升沿，使电流尽快达稳态。

在脉冲上升沿释放电容能量时，电容电压不会释放到零，而会存在残压，残压大小等于供电电压，供电电压越大，关断延时越短，而电容参数最优解和线性度随供电电压变化不大。1

恒压钳位高速关断电路准谐振高速关断电路的电路参数最优解与负载、发射电流相关，国内外一些瞬变电磁发射机通过改变阻尼电阻或吸收电容的方法，改善下降沿特性，因此，很难使发射机工作于最优状态。本章提出了恒压钳位原理和三种恒压钳位高速关断电路拓扑，在解决了优化参数与负载、发射电流的相关性问题的同时，进一步缩短了关断延时，提高了下降沿线性度，与准谐振型电路和已报道的高速关断电路相比，该电路具有显著优点，是理想的大功率TEM发射电路。

恒压钳位高速关断电路有耗能型、馈能型和无损型三种电路拓扑，具有以下特点：

①三种恒压钳位电路具有相同的下降沿特性（相同的关断延时和线性度）；

②恒压钳位高速关断电路下降沿线性度高，通过对钳位电压源的控制，可实现下降沿斜率可调；

③与已报道的双极性电流源相比，恒压钳位高速关断电路关断延时最短(在负载L=1.9mH，发射电流I0=57A时，已报道文献最短关断延时为280µs，而恒压钳位电路为171µs)；

④馈能型高速关断电路减少了能量损耗，缩短了脉冲上升时间（在负载L=1.9mH，发射电流I0=57A时，电流上升时间由2.89ms降至201µs），可显著提高工作效率（按参数计算，可提高效率18%）；

⑤电路参数最优解不随电源、负载、脉冲电流幅值变化，解决了国内外许多TEM发射机需实时改变阻尼电阻以实现最佳匹配的问题；

⑥耗能型和馈能型恒压钳位高速关断电路存在一定损耗，无损恒压钳位高速关断电路有利于发射机的小型化。1

无源钳位与串联型高速关断电路前面提出的高速关断电路仅考虑了负载能量的释放时间，实际上，关断延时由驱动延时、开关延时和负载能量的释放时间构成，在大电感、大电流情况下，关断延时主要由负载能量的释放时间决定，但在小磁矩（发射电流、发射线框面积、线框匝数的乘积）发射情况下，驱动延时和开关延时就不能不考虑。针对中、小功率的瞬变电磁发射，进一步缩短开关延时和负载能量的释放时间。

针对小功率应用，宜采用基于MOSFET的TVS型电路，电路结构简单，输出特性好；针对中功率应用，宜采用Sidac-R阵列型和耗能型恒压钳位高速关断电路，电路结构和控制简单，输出特性好；针对大功率应用，宜采用无损恒压钳位高速关断电路，输出特性好，损耗小；针对超浅层应用，宜采用TVS的串联拓扑，进一步缩短关断延时，二极管位于上桥臂较优，下桥臂驱动信号不与控制系统隔离，可使得发射电流的关断更好地与控制信号同步。1