（地球探测与信息技术专业论文）宽动态电法同步测量系统设计.pdf

中南大学硕士论文摘要 摘要 以电位为测量对象的电法勘探，如充电法，对仪器系统的动 态范围有更高的要求：非平稳随机干扰背景条件下，不同测量点 位上的测量数据需要在共同背景下进行比对，才能识别真实异 常。本课题以宽动态同步电法采集仪器系统设计为研究对象， 对发射机电路、接收机电路进行了较为全面的研究。 该系统采用c y g n a l 公司的微控制器专利产品c i p - 5 1 内核 为微处理器( m c u ) ，采用可编程逻辑器件( c p l d ) 代替大量外 围器件，用原理图与硬件描述语言相结合的方式设计了a d 同 步采集时序和a d 数据存储电路；选用2 4 位a d 提高电压输入 的动态范围，并针对高量程电位采集目标就电压衰减网络进行 了设计；为达到良好的抗干扰能力，设计了两路电压采集通道 进行同步采集；结合电法勘探仪器特点，设计了滤波、放大等 模拟信号处理硬件电路图并提供了有关元器件参数的详细计算 方法。 本文设计了一套基于c 8 0 5i f 0 2 0 的集高压发射、数据采集 为一体的宽动态同步电法采集系统，该电法勘探采集系统具有 一定的针对性，在功能特性上提高电压动态范围尤其是量程、 实现了两路信号同步采集，适用于大量程和强干扰背景下电场 测量的需要。 关键词：电法勘探，同步采集，电压衰减，可编程逻辑器件 a bs t r a c t t h ee l e c t r i c a l e x p l o r a t i o n w i t he l e c t r i c a l p o t e n t i a l m e a s u r e m e n ts u c ha sc h a r g e de l e c t r i c a l m e t h o dn e e d sh i g h v o l t a g es c o p e o nt h ec o n d i t i o no ft h en o n p l a c i d i t ya n dr a n d o m i n t e r f e r e n c et h et e s td a t ea td i f f e r e n tp o i n tn e e dt ob ec o m p a r e d t h i sc o n t r a s to nt h es a m eb a c k g r o u n dc a nh e l pt oi d e n t if yt h er e a l a b n o r m i t y t h e p a p e r t a k e s t h ew i d e n d y n a m i c a n d s y n c h r o n i z a t i o ns a m p l i n g a st h e r e s e a r c h i n go b je c t t h e t r a n s m i t t e re l e c t r i cc i r c u i ta n dt h es a m p l i n gc i r c u i t a r em a jo r s t u d y i n go ft h i sp a p e r t h es y s t e ma d o p t st h ep a t e n to fm i c r oc o n t r o l l e re s s e n c e c i p 51a n dc p l dt or e p l a c et h em a s s i v ep e r i p h e r yc o m p o n e n t t h es c h e m a t i cd i a g r a ma n dt h eh a r d w a r ed e s c r i p t i o nl a n g u a g ea r e b o t ha p p l i e dt od e s i g na ds y n c h r o n i z a t i o ng a t h e r i n gs u c c e s s i o n a n da d d a t as t o r a g ee l e c t r i cc i r c u i t s e l e c t s2 4b i t sa d t o e n h a n c et h ea n a l o gi n p u ts c o p e ，a n dd e s i g nt h ec i r c u i t so fv o l t a g e a t t e n u a t i o n ；i no r d e rt oi m p r o v et h ea b i l i t yo fa n t i - i n t e r f e r e n c e ， c a r r i e so nt h es y n c h r o n i z e ds a m p l i n gw i t ht w ov o l t a g es a m p l i n g c h a n n e l ；i na l l u s i o nt ot h ec h a r a c t e r i s t i co fe l e c t r i c a le x p l o r a t i o n ， d e s i g n e dt h ea n a l o gh a r d w a r ec i r c u i to ff i l t e ra n da m p l i f i e r ，a s l o p r o v i d e dt h ed e t a i l e dc o m p u t a t i o n a lm e t h o do fp a r a m e t e r t h ew i d e nd y n a m i ca n ds y n c h r o n o u ss a m p l es y s t e mb a s e do n t h ec 8 0 51f 0 2 0m c uc o n s i s t so fh i g hv o l t a g et r a n s m i t t e ra n dt h e d a t aa c q u i s i t i o n t h i ss y s t e mc a nb eu s e di ns p e c i f i ce n v i r o n m e n t e n h a n c e dd y n a m i cs c o p ee s p e c i a l l yt h em e a s u r e m e n ta n d t h e b i c h a n n e ls y n c h r o n o u ss a m p l es y s t e mb r i n gt h es u r v e yu n d e rt h e c o n d i t i o no fv o l t a g ev a l u et e s ta n ds t r i v i n gi n t e r f e r e n c e i n t o r e a l i z a t i o n k e y w o r d s ：e l e c t r i c a le x p l o r a t i o n ，s y n c h r o n o u ss a m p l e ， v o l t a g ea t t e n u a t i o n ，c p l d i i 原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得中南 大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我共同工作的同志对本 研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 储繇耻l 嗍翌年且丑 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文，允许学位 论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以采用 复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科学技术信息研究所 将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库，并通过网络向社会公 众提供信息服务。 作者签名：了嘎 翩签名堑隰珥年且血 中南大学硕士论文 第一章绪论 1 1 电法勘探系统 第一章绪论 1 1 1 地球物理勘探概述 地球物理勘探简称“物探”，即用物理的原理研究地质构造和解决找 矿勘探中问题的方法。它是以各种岩石和矿石的密度、磁性、电性、弹 性、放射性等物理性质的差异为研究基础，用不同的物理方法和物探仪 器，探测天然的或人工的地球物理场的变化，通过分析、研究所获得的 物探资料，推断、解释地质构造和矿产分布情况。目前主要的物探方法 有：重力勘探、磁法勘探、电法勘探、地震勘探、放射性勘探等。依据 工作空间的不同，又可分为：地面物探、航空物探、海洋物探、井中物 探等。物探正日益广泛的应用在各种地质工作中，并占据显著地位。但 是，绝不应该把物探工作和其他方法割裂开来，它必须与地质学，水文 地质学，化探，钻探等工作密切配合，相互补充，相互验证，只有这样 才能获得较好的地质效果1 。 此外，随着科学技术的发展，许多新理论，新方法正不断地引入到 物探领域，如无线电探测技术、遥感技术、声波超声波探测技术、计算 机技术等，为地球物理勘探开阔了广阔的前景。 地球物理勘探方法的技术水平及它在地质工作中应用的地质效果和 经济效果是衡量地质工作现代化水平的重要标志。 我国至5 0 年代以来，物探工作为水文地质，工程地质，矿产地质工 作提供了大量的，获得实践检验的重要资料。尤其在覆盖地区，对研究 地质构造、指导勘探，成井等方面发挥了重要作用，加快了勘探速度， 降低了成本，在广大平原地区，物探工作更是大受欢迎。 物探工作也有一定的局限性和条件性，比如其解释结果具有多解性 的缺点。物探的定量解释理论是建立在一定规则形体物理模型的场计算 的基础上的，有关地质体的深度、产状、规模大小等数据的获得是依靠 反演求解的。因为实际地质情况是相当复杂的，地质体的物理性质和形 状是多变的，目前的数学物理水平还不能对任意形状的复杂的地质体的 物理场进行正演计算，以及由于物理场测量总是带有误差，并受干扰影 响，因此物探的解释结果不能不是概略的。数字技术的发展为弥补物探 解释上的缺陷创造了条件。比如，仪器抗干扰技术的提高。但就目前的 中南火学硕十论文 第一章绪论 情况来说，不难看出，物探工作决不能完全代替其他地质勘探工作，它 的作用是普查储水结构，配合进行地质填图以及进行水文地质参数和岩 石工程力学的测量。 物探也有透视性、效率高；成本低等优点，它的突出优点在于减小 山地工作和钻探工作的工作量，使勘探工程布置的更加合理，从而加快 勘探工作的速度。除此之外，某些物探方法还可以解决常规地质勘探方 法难于解决的一些问题。 1 1 2 电法勘探原理和方法 电法勘探是地球物理勘探方法的一种，它被广泛的用于各种矿产普 查勘探和水文地质、工程地质等各方面，并取得了显著的效果。 电法勘探是以研究地壳中各种岩石、矿石电学性质之间的差异为基 础，利用电场或电磁场( 天然或人工) 空间和时间分布规律来解决地质 构造或寻找有用矿产的一类地球物理勘探方法，通常称之为电法。 在电法勘探中，目前利用岩石和岩石的电学性质或物理参数只要有 四种：导电性( 用电阻率表示) 、介电性( 用介电常数表示) 、导磁性( 用 导磁率表示) 和极化特性。( 人工体极化率和面极化系数与自然极化的电 位跃变) 。由于不同的岩石矿石电学性质上的差异，都可以引起电磁场( 人 工或天然) 的空间分布状态和时间分布规律发生相应的变化。在一般情 况下，岩矿的电学参数值改变的越明显，则岩矿内外或空间电磁场的相 应变化也越强烈。因此，人们便可以将这种相应的变化规律在探测区域 内通过应用不同性能的仪器对电磁场的空间分布和时间分布状态进行观 测与分析研究，寻找矿产自愿或查明地质目标在地壳中的存在状态以及 电学参数值的大小，从而实现电法勘探的目的2 1 。 电法勘探随着相邻学科的发展而必然相应得到发展，出现了一些新 技术新方法，主要有以下几种嵋。 1 高密度电阻率法( h d r m ) ：它采用了三电位电极系，包括温纳 四极、偶极、微分三极装置，它结合计算机技术，可广泛应用于场地地 质调查，坝基选址等。 2 高分辨率电阻率法( h r r m ) ：该方法起初用于探测军事方面的 洞体，后应用到探测废矿巷道、岩溶等地下洞。在探测地下洞体方面效 果较好。 3 激发极化法( i p ) ：它是应用最广和效果最好的一类电法勘探方 法，在找水、找油方面都有很好的效果。 4 频谱激电法( s i p ) ：又称复电阻率法。此法在金属矿床和油气 2 中南人学硕十论文 第一章绪论 勘探方面取得了明显的效果，但对激电效应和电磁效应的分离、激电异 常的评价并未完全解决。 5 瞬变电磁法( t e m ) ：是近年来发展起来的电法勘探分支方法， 它除了具有电磁法穿透高阻层能力强及人工源方法，随机干扰影响小等 优点外，t e m 法还明显的具有断电后观测纯二次场，可以进行近区观测， 减少旁侧影响，增强电性分辨能力。可以用加大发射功率的方法增强二 次场，提高信噪比，从而增加勘探深度；通过多次脉冲激发后场的重复 测量和空间域模拟地震的多次测量技术应用，提高信噪比和观测精度； 可选择不同的时间窗口进行观测，有效压制地质噪声，获得不同勘探深 度等一系列优点。 6 探地雷达( g p r ) ：它采用宽频短脉冲和高采样率，探测的分辨 率( r e s o l u t i o n ) 高于其他地球物理手段，随着电子技术的发展探地雷达 有了更为轻便的仪器，它的实际应用范围也迅速扩大。理论研究方面， 目前仍相对集中于信号处理。另外，探地雷达图像的正确判读和解释， 始终是探地雷达工作者的一项重要和艰巨的任务，今后仍作为重点研究。 7 无线电波透视法：它是根据电磁波在地下岩层中传播时能量吸 收关系，观测电磁场场强信号的强弱，进行幅值能量反演，形成透视阴 影异常，从而进行地质推断和解释。坑透法在两巷道间进行，电磁波在 煤层传播中遇到介质电性变化时，电磁波被吸收或屏蔽，接收信号显著 减弱或收不到有效信号，如沿巷道多点观测，则形成所谓的透视异常。 由于受到井下特殊地质条件所限，如金属支架、金属管道、铁轨及电缆 等，井下巷道人工导体设施对电磁波传播起到较强的干扰作用。但由于 该方法现场观测与资料处理简单，是目前煤矿常用的方法。 1 1 3 电法勘探仪器的发展历程与技术趋势 电法勘探是一门新兴学科，其发展历程仅有一个半世纪。早在l9 世纪初，p 佛克斯首先发现了自然电场法，这是电法勘探最先诞生的一 个分支方法，约半个世界后，卡尔巴努斯才在自然电场法中采用不极化 电极，人工场源的电阻率法勘探约在l9 世纪末被提出来。直到2 0 世纪 初，世界许多国家工业迅速发展，对矿产自愿需求猛增，电法勘探才从 研究领域走向应用阶段，视电阻率的重要概念也被提出来并不断完善发 展，并确立了两种分支方法：四极等间隔的温纳氏法( w e n n e rm e t h o d ) 和中间梯度法( m id d leg r a di 否n tm e t h o d ) 。激发激化法( in d u c e d p o l a r iz a t io n ) 于19 2 0 年被施伦贝尔热发现；美国工程师康克宁在l 9l7 年提出了电磁感应法，并与1 9 2 5 年首次取得地质效果。 中南人学硕士论文第一章绪论 回顾电法勘探的发展历史，2 0 世纪初电法基本理论和应用方案已经 初步形成，并且应用越来越普遍。由于现代物理学、电子学、特别是计 算机技术的发展，使得电法仪器的研制也蓬勃发展起来，目前国外研制 生产电法仪器的公司主要有r 本的o y o 公司、瑞典的a b e m 公司、法国的 i r i s 公司、美国的a g i 、z o n g 、g e o m e t r ic s 公司和e m i 公司、德国的d m t 公司与m e t r in ix 公司、加拿大的g e o n i c s 公司。国内研制生产电法仪器 的单位主要有中国地质大学，吉林大学，中南大学，重庆地质仪器厂， 重庆奔腾数控研究所等，仪器正逐渐向这样4 个方面发展：1 、高分辨率， 高信噪比；2 、宽频带，大动态范围；3 、高集成，多功能，低功耗；4 、 操作简单，轻便灵活12 1 。 1 2 本课题来源及研究意义 1 2 1 课题来源 电法勘探是根据地壳中不同岩层之间、岩石和矿石之间存在的电磁 性差异，通过观测天然存在的或由人工建立的电场、磁场分布，来研究 地质构造、寻找有用矿产资源、解决工程、环境、灾害等地质问题的一 类地球物理勘探方法。电法勘探利用的主要物性有：导电性、介电性、 导磁性、激发极化性、自然极化性、压电性和震电性等。当地下地质构 造或岩层与矿体之间的电性分布沿水平或垂直方向发生变化时，则在地 面、空中或海洋观测到的电场、电磁场空间分布也将发生相应的变化， 于是便出现了所谓的异常。通过对异常进行定性、定量解释，便可推断 出地下的地质构造特征和矿体位置、埋深、形状、大小等赋存状态。电 法勘探的方法可分为主动源电法和被动源电法两大类，其中主动源电法 中常用的有激发极化法、充电法、电磁法等。2 0 0 8 年5 月，我随导师在 湖南益阳桃江对一有人工露头褐铁矿( 2 f e ：0 。h 。0 ) 进行资源勘察与评价， 基于现场条件和仪器设备状况，我们采用充电法进行勘探，供电电压标 准为1 8 0 v ，仪器为d d c - 5 。在用电位法进行观测时，将电极n 固定在远 离测区的“无穷远 处，作为电位零值点；电极m 沿测线逐点移动，观 测其相对于n 极的电位差，作为m 极的电位u ，但从仪器读出的数据来 看，此时离测区较近的地方其电压读数远远超出了d d c - 5 的输入电压范 围，出现饱和。类似的情况同样出现在2 0 0 8 年5 月在南京某工地对漏水 情况检测的过程中，由此得出结论：传统电法仪器的应用受到量程范围 的限制，仪器必须改进。 4 中南大学硕十论文第一章绪论 1 2 2 研究目的与意义 目前国内流行的主要电法仪器除g d p - 3 2 外，如：d z d - 6 a 多功能直 流电法( 激电) 仪；d u k 一2 a 高密度电法测量系统；w d j d - 3 多功能数字直流 激电仪；w d z s - 3 多功能电法找水仪；w g m d - 3 高密度电阻率测量系统； d j f 5 10 2 大功率激电测量系统；d d c 一6 电子自动补偿( 电阻率) 仪； d u k - 2 b 高密度电法测量系统等。其仪器设计技术指标大多为：a d 位数 12 位；电压输入范围一6 v - + 6 v 或一3 v 一+ 3 v 。所以在实际工作过程中自然 会出现上述饱和现象。电法仪器的研制方兴未艾，在实际应用中还不够 成熟和完善，仍需要进一步发展和完善：1 、提高测量精度；2 、增大电压 电流输入范围；3 、提高抗干扰能力。随着高分辨率a d 的出现，如t i 公司的a d s l2 5 1d 等，测量信号的动态范围自然得到了提高。而提高抗干 扰能力的手段，除了设计品质优良的滤波电路，合理设计电路板的走线 方式外，还可以通过研制同步采集电路，尽可能的使得被测信号具备相 同的背景，间接得提高抗干扰能力。目前重庆奔腾数控研究所下致力于 超级电法仪的研制。可以推断的是，由于电子技术的发展，高分辨率， 多通道同步电法采集系统随着电法理论的不断完善将应用更加广泛。 中南人学硕士论文第二章系统总体方案设计 第二章系统总体方案设计 2 1 系统设计任务与要求 2 1 1 发射机要求 发射机最重要的组成部分是逆变器，然而仅有逆变器还是无法币常 工作的，因此，要达到供电的目的，必须要给逆变电路增加其他外围辅 助电路，如驱动隔离电路可以提供正确有效的驱动信号；缓冲电路可以 分担一部分逆变电路开关过程中造成的瞬时高压和过电流。同时还要有 必要的自我保护能力。 2 1 2 接收机要求 接收机是整个系统的核心，它能完成信号的采集，数据的上传等任 务。其动态范围要求达到3 0 v ，多通道同步采集，有较强的抗干扰能力。 2 1 。3 主要技术指标 1 通用指标 仪器电源采用8 节1 5 v 一号电池或者同样容量的镉镍电池。 使用温度：一1o + 5 0 2 发送部分 ( 1 ) 外接高压电源5 0 0 v ，最大电流3 a ( 2 ) 供电脉宽为l 5 9 秒，占空比为l ：l ( 3 ) 仪器设有过压过流保护装置 3 接收部分 ( 1 ) 电位测量范围为3 0 v ( 2 ) 电流测量范围为1 0 m a 3 a ( 3 ) 自电补偿范围- 2 5 0 0 m v + 2 5 0 0 m v ( 4 ) 仪器输入阻抗： 8 m ( 5 ) 对5 0 h z 工频干扰抑制优于6 0 d b 2 2 系统总体设计方案 该系统设计主要包括两部分：上位机部分；采集卡部分。上位机主 要完成指令发送，算法控制等工作；采集卡完成信号的采集，滤波，阻 抗匹配，数据的存储发送，同步采集脉冲，逆变器驱动信号控制等工作。 完成上述工作后，系统的总体框架也就已经形成。 6 中南大学硕士论文第二章系统总体方案设计 图2 一l 所示为系统总体框图。 高 压 电 源 图2 1 系统总体框 设计方案由两部分构成：发射机部分和接收机部分。系统发射机由 逆变电路和其它外围功能模块构成，外围功能模块主要由保护模块和驱 动隔离模块构成。 接收机模块主要由信号调理电路，电压衰减电路，a d 转换电路， c p l d 时序同步控制、存储电路，d a 转换与s p 补偿电路等构成。而且本 系统将发射机部分与接收机部分放到一起，选用c 8 0 5 1 f 0 2 0 作为核心控 制c p u 。而c p l d 主要用来控制时序和作为a d 采样后的数据存储。 7 中南人学硕士论文第二章发射机系统设计 3 1 引言 第三章发射机系统设计 根据电法勘探发送机所采用的电源不同，可以分为三大类。第一 类发送机采用1 2 v 蓄电池或干电池作为电源，通过d c d c 变换和逆变 电路，可实现最大输出电压7 0 0 v ，最大输出电流3 a ，输出功率为 l0 0 2 0 0 w 。用在直流电法仪、高密度电法仪、工程型瞬变电磁仪和某些 以解决工程问题为目的的电法仪器中。例如，s t r a t a g e m 电磁成像系统用 的发送机、s d 1 瞬变电磁仪、a b e m 公司的高密度电法仪、a g i 公司的 高密度电法仪等。其中，a g i 公司的s u p e r s t i n gr 8 i p 高密度电法仪的 发送机部分具有较高水平，其最大输出功率为2 0 0 w ，最大输出电压为 8 0 0 v ，输出电流为1 m a 1 2 a 连续可调。第二类发送机采用电池组作为 电源，采用逆变器实现电法勘探所需波形，可实现l0 0 0 v 以下的输出电 压，1o a 以下的输出电流，在传统的电阻率仪和激电仪中广泛使用。支 持的勘探深度一般不大于3 0 0 0 m 。如重庆地质仪器厂的d d c 6 电子自动 补偿仪。第三类发送机采用直流发电机、5 0 h z 交流发电机或者4 0 0 h z 中频发电机作为电源，一般有变压、整流、滤波、稳流、逆变电路。其 最大输出电压一般为1 0 0 0 v ，最大输出电流为1 0 1 0 0 a ，最大输出功率 为5 k w 一16 0 k w 。可用于大深度激电、瞬变电磁、c s a m t 等勘探中。最 大勘探深度可达l0 k m 以上，如果采用信噪比增强技术，其最大勘探深 度可达5 0 k m 。例如，重庆奔腾推出的w d f z 一2 型5 k w 大功率发送机， 重庆地质仪器厂推出的10 k w 大功率发送机。 目前，大功率发送机已经成为国内近几年的研究热点。但本设计的 目的是实现大动态范围的同步采集，故发射机部分还是采用第二类发射 机的结构。 3 。2 逆变电路及外围驱动电路 电法勘探发射机是通过控制信号来控制逆变开关的通断，将加在逆 变电路的直流电源逆变成我们所需要的波形发送出去。简而言之，就是 将直流变成交流，逆变后的交流信号波形、频率受控制信号的控制3 1 。 3 2 1 逆变电路设计 目前采用较多的逆变电路有大功率m o s f e t 、i g b t 、g t r 、新一代 中南人学硕十论文第二章发射机系统设计 功率器件i p m 。基于设计的功耗要求，我们采用大功率m o s f e t 构成逆 变电路并通过优化外围驱动电路保护电路，以达到设计要求。大功率 m o s f e t 是一种多子导电的单极型电压控制器件，具有开关速度快、高 频特性好、热稳定性优良、驱动电路简单、驱动功率小、安全工作区宽、 无二次击穿问题等显著优点。目前，功率m o s f e t 的指标达到耐压6 0 0 v 、 电流7 0 a 、工作频率10 0 k h z 的水平，在开关电源、办公设备、中小功 率电机调速中得到广泛的应用，使功率变换装置实现高效率和小型化。 我们选用i r f p 4 6 0 ，i r f p 4 6 0 是国际整流公司生产的n 沟道大功率 m o s f e t ，其典型指标见表3 1 。 表3 - 1 ir f p 4 6 0 典型指标 t y p e v d s s r d s t o n ) i d i r f p 4 6 05 0 0 v 7 v 时，过流保护电流控制运算放大器，使其输出软关断信 号，在l01 ts 内将脚3 输出电平降为o v 。因e x b 8 4 0 无过流自锁功能， 所以外加过流保护电路，一旦产生过流，可通过外接光耦t l p 5 21 将过 流保护信号输出，经过一定延时，以防止误动作和保证进行软关断，然 后由触发器锁定，实现保护。 l o 中南人学硕十论文第二章发射机系统设计 奄纛 。i ：铁自蓉恢鬟一缀警 。2 ：光襁含嚣 图3 - 2e x b 8 4 0 典型应用电路 3 2 4m 5 7 9 6 2 l 模块的分析 m 5 7 9 6 2 a l 是一种l4 脚单列直捕式结构的厚膜驱动模块，其内部结 构图如图3 3 所示。它由光耦合器、接口电路、检测电路、定时复位 电路以及门关断电路组成，驱动功率大，以驱动6 0 0 a 6 0 0 v 及4 0 0 a 1 2 0 0 v 等系列i g b t 模块和大功率m o s f e t 。 v b c o 翻e 盘p 碡 f a u l to u i 叫 v 旺 图3 - 3m 5 7 9 6 2 l 内部结构图 m 5 7 9 6 a l 具有高速的输入输出隔离，绝缘电压也可达到a c 2 5 0 0 v m i n ；输入电平与t t l 电平兼容，适于单片机控制；内部有定时 逻辑短路保护电路，同时具有延时保护特性；采用双电源供电方式，相 对于e x b 8 4 1 来说，虽然多使用一个电源但i g b t 可以更可靠地通断。 典型应用图如图3 - 4 所示。当驱动信号通过脚14 和脚13 时，经过 高速光耦隔离，由m 5 7 9 6 2 a l 内置接口电路传输至功率放大极，在 m 5 7 9 6 2 a l 的脚5 产生+ 1 5 v 开栅和一1 0 v 关栅电压，驱动i g b t 通断。 中南人学硕+ 论文第二章发射机系统设计 当脚1 检测到电压为7 v 时，模块认定电路短路，立即通过光耦输出关 断信号，使脚5 输出低电平，从而将i g b t 的g e 两端和m o s f e t 的 g s 两端置于负向偏置，可靠关断。同时，输出误差信号使故障输出端 ( 脚8 ) 为低电平，从而驱动外接的保护电路工作。延时2 3 s 后，若检测 到脚13 为高电平，则m 5 7 9 6 2 a l 恢复工作。稳压管d z l 用于防止d l 击穿而损坏m 5 7 9 6 2 a l ，r g 为限流电阻，d z 2 和d z 3 起限幅作用，以 确保可靠通断。 r 图3 4m 5 7 9 6 2 l 典型应用电路 3 2 5h l 4 0 2 模块的分析 h l 4 0 2 是1 7 脚单列直插式结构，内置有静电屏蔽层的高速光耦合器 实现信号隔离，抗干扰能力强，响应速度快，隔离电压高。它具有对i g b t 进行降栅压、软关断双重保护功能，在软关断及降栅压的同时能输出报 警信号，实现封锁脉冲或分断主回路的保护。它输出驱动电压幅值高， 正向驱动电压可达15 17 v ，负向偏置电压可达10 12 v ，因而可用来 直接驱动容量为4 0 0 a 6 0 0 v 及3 0 0 a 1 2 0 0 v 以下的i g b t 。 h l 4 0 2 结构图如图3 5 ”所示。图3 5 中，v l l 为带静电屏蔽的光 耦合器，它用来实现与输入信号的隔离。由于它具有静电屏蔽，因而显 著提高了h l 4 0 2 抗共模干扰的能力。图3 5 中u 1 为脉冲放大器，s l 、 s 2 实现驱动脉冲功率放大，u 2 为降栅压比较器，正常情况下由于脚9 输入的i g b t 集电极电压v c e 不高于u 2 的基准电压v r e f ，u 2 不翻转， s 3 不导通，故从脚l7 和脚16 输入的驱动脉冲信号经s 2 整形后不被封 锁。该驱动脉冲经s 2 、s 2 放大后提供给i g b t 使其导通或关断，一旦i g b t 退饱和，则脚9 输入集电极电压给i g b t 使其导通或关断，并且脚9 输 入的集电极电压采样信号v c e 高于u 2 的基准电压v r e f ，比较器u 2 1 2 中南大学硕士论文 第三章发射机系统设计 翻转输出高电平，使s 3 导通，由稳压管d z 2 将驱动器输出的栅极电压 v g e 降低到l0 v 。此时，软关断定时器u 3 在降栅压比较器u 2 翻转达 到设定的时问后，输出正电压使s 4 导通，将栅极电压软关断降到i g b t 的栅射极门限电压，给i g b t 提供一个负的驱动电压，保证i g b t 可靠 关断。 图3 - 5h l 4 0 2 内部结构图 h l 4 0 2 典型应用图如图3 - 6 所示。在实际电路中，c l 、c 2 、c 3 、c 4 需尽可能地靠近h 14 0 2 的脚2 、脚l 、脚4 安装。为了避免高频耦合及电 磁干扰，由h l 4 0 2 输出到被驱动i g b t 栅射极的引线需要采用双绞线或 同轴电缆屏蔽线，其引线度不超过lm 。脚9 和脚l3 接至i g b t 集电极 的引线必须分开走，不得与栅极和发射极引线绞合，以免引起交叉干扰。 光耦合器l l 可输入脉冲封锁信号，当l 1 导通时，h l a 0 2 输出脉冲立即 被封锁至一l0 v 。光耦合器l 2 提供软关断报警信号，它在驱动器软关断 的同时导通光耦合器l 3 ，提供降栅压报警信号。使用中，通过调整电容 器c 5 、c 6 、c 7 的值，可以将保护波形中的降栅压延迟时间、降栅压时 问、软关断斜率时间调整至合适的值。在高频应用时，为了避免i g b t 受到多次过电流冲击，可在光耦合器l 2 输出数次或1 次报警信号后， 将输入脚l6 和脚17 问的信号封锁。 中南人学硕士论文第三章发射机系统设计 图3 - 6h l 4 0 2 典型应用电路幽 3 2 6 其他驱动器 1 i r 系列驱动器i r 系列驱动器 该驱动器主要是为驱动桥臂电路而设计的，该芯片具有14 脚，d i p 封装。它具有过流保护和欠压保护功能，特别是它具有自举浮动电源大 大简化了驱动电源的设计，只用一路电源即可驱动多个功率器件。其缺 点是本身不能产生负偏压，当用于驱动桥式电路时，由于米勒效应的作 用，在开通与关断时刻，容易在栅极上产生干扰，造成桥臂短路；另外 i r 系列驱动器采用了不隔离的驱动方式，在主电路的功率器件损坏时， 高压可能直接串入驱动器件，致使驱动模块及l j 极电路损坏。 2 u c 3 7 系列驱动器 该系列驱动器一般由u c 3 7 2 6 和u c 3 7 2 7 两片芯片配对使用，其工 作频率较高，但在两芯片之间需增加脉冲变压器，给电路的使用和设计 带来不便，因此该系列驱动器在我同并未得到推广。 通过以上分析比较，可得到如下结论。 ( 1 ) 以上3 个系列的驱动器均能实现对i g b t 的驱动与保护； ( 2 ) e x b 8 4 0 外周电路简单，仅需单电源供电，是最早进入我国市场 1 4 中南大学硕十论文第三章发射机系统设计 的i c b t 驱动模块，技术成熟，应用广泛； ( 3 ) e x b 8 4 0 与m 5 7 9 6 2 a l 在i g b t 关断期间均能在栅极上施加负电 压，进一步保证了i g b t 的可靠关断。 综上所述，我们选择e x b 8 4 0 作为大功率m o s f e t 的驱动器，其驱动电 路如图3 7 。 图3 - 7 人功翠m o s f e t 外围驱动电路坟计 3 2 7 相关参数计算 j 1 r 1 15 的取值分析 e x b 8 4 0 对大功率m o s f e t 的控制过程是：当脚l5 和脚l4 有l0m a 电流通过时，脚3 输出高电平而使m o s f e t 在ll as 内导通；而当脚l5 和脚l4 无电流通过时，脚3 输出低电平使m o s f e t 关断。脚l5 是驱 动信号的正极性端，要保证其输入电流为l0 m a ，则限流电阻的标称值应 选定为4 7 0q 2 r 1 2 0 的取值分析 由外围驱动电路可知，当e x b 8 4 0 过流保护输出为高电平时，相应 的光耦截止，没有电流流过光耦，因此对r 12 0 的取值没有影响。 当过流输出为低电平时，光耦导通，由于t l p 5 21 1 的所能接收的 最大电流为7 0 m a ，表3 1 和表3 2 为t l p 5 21 1 的相关参数。 因此：r 12 0 = ( v c v f ) i f ( m a x ) = ( 2 0 1 3 ) 0 0 7 = 2 6 7q 1 5 中南人学硕士论文 第三章发射机系统设计 表3 it l p 5 2 1 1 相关参数 r a t t n g c h a r a c t e r i ：弧1 cs y 凇o l t l p 5 21 - 2u n r r t l p 5 2i - 1 ，l t l p 5 2 1 - 4 f o r w a r dc u r r e n t i f 7 05 0 m a o f o r w a r dc u r r e n td e r a t i n g a i f ， 一o 9 3e r a25 0 。c 一0 5f t a 毫2 5 。c lm a o c 篮 p u i s ef o r w a r dc u r r e n t i f p t ( 1 0 0 p u l s e ，1 0 0p p s ) a - r e v e r s ev o l t a g e v r 5v j u n c t i o nt e m p e r a t u r e 飞 1 2 5 c o l l e c t o r e m i t t e rv o l t a g e v c e o 5 5v 瞄 e m i t t e r c o l l e c t o rv o l t a g e v e c o 7v oc o l l e c t o rc u r r e n tl c 5 0m a h oc o l l e c t o rp o w e rd i s s i p a t i o n f 1c i r c u i t p c 1 5 01 0 0m w b c o l l e c t o rp o w e rd i s s i p a t i o n 盆 a p e i * c 1 5一1 o删| e d e r a t i n g lc i r c u i t ，t a 交2 5 。c ) j u n c t i o nt e m p e r a t u r e 屯 1 2 5 s t o r a g et e m p e r a t u r er a n g e b 墟 一5 5 1 2 5 o p e r a t i n gt e m p e r a t u r er a n g e t o 辨 一5 5 1 0 0 l e a ds o l d e r i n gt e m p e r a t u r e 岛l 2 6 0 l o $ j t o t a lp a c k a g ep o w e rd i s s i p a t i o n p t 2 5 01 5 0m w t o t a lp a c k a g ep o w e rd i s s i p a t i o n d e r a t i n g ( t a 2 5 9 c a p t t c 一2 5一1 5m w 。c i s o l a t i o nv o l t a g e b v s 2 5 0 0 a c ，1r a i n ，r h 曼6 0 ) ( n o t e1 )v r r t l $ 也就是说，为避免烧毁光耦最小的r 12 5 的取值不得少于12 6q ，为 安全起见，我们选择o 5 w 标称值为4 7 k 的电阻。 表3 - 2t l p 5 2 1 1 相关参数 c h a r a c t e k l s t l cs y m b o l。l 翟s tc o n d i t l o nm i n t y p m a xu n r l q f o r w a r dv o l t a g e v fi f = 1 0 m a 1 o1 1 5l - 3v r e v e r s ec u r r e n t i rv r = 5 v 1 0t t 入 c a p a c i t a n c ec t v = 0 。f = 1m 珏z3 0 p f c o l l e e t o r - e m i t t e r 暖 b r e a k d o w nv o l t a g e v t b r c e oi c = 0 5 m a 5 5v oe m i t t e r - c ：o l l e c t o r b r e a k d o w nv o l t a g e v ( b r ) e c oi e = 0 1m a 7v u v c e = 2 4 v 1 0l o on a c o l l e c t o rd a r kc u r r e n t i c e 0麟 v c e = 2 4 v t a = 8 5 。c25 0a盆 c a p a c i t a n c e ( c o l l e c t o rt oe m i t r e r ) c c e v = 0 f = 1m h z1 0 p f e cl0 9 和e c1 lo 的取值是根据大多数资料的推荐，选择3 3 u f 。其目 的是为了电容吸收由电源接线阻抗而引起的供电电压变化。它不是电源 滤波器电容。而电阻r l2 5 的取值是根据e x b 8 4 0 的数据手册，选取的 推荐值。 3 3 缓冲电路设计及相关参数计算 开关器件的损坏，不外乎是器件在开关过程中遭受过量的d i d t ， 1 6 中南大学硕士论文第二章发射机系统设计 d v d t 或瞬时功耗的危害而造成的。当m o s f e t 关断感性负载时，由于 电感电流不能突变，漏源间电压u d s 会上升至很高的数值；当m o s f e t 导通时，寄生电容通过m o s f e t 放电，从而产生较大的电流浪涌。缓冲 电路的作用就是改变器件的开关轨迹，控制各种瞬态过电压，降低器件 丌关损耗，保护器件安全运行 1 。 目前已经存在多种缓冲电路，有注重吸收效果但是功耗相对较大的， 有功耗较小但缓冲效果一般的，也有零功耗但电路庞杂的。一些应用在 i g b t 上的吸收电路经过些许改动就可以移植到m o s f e t 上。考虑各种 因素选取恰当的参数，就能保证发送机稳定工作在高供电电压、高发送 频率状态下。 3 3 1 缓冲电路设计 设计缓冲电路主要应考虑的因素有：功率电路的布局结构、功率等 级、工作频率和成本。 1 几种常用缓冲电路及其比较 图3 8 所示缓冲电路4 3 1 由一个电容并在m o s f e t 桥的p ( j 下极) 和n ( 负极) 之间。这种缓冲电路适应于小功率等级，对于抑制瞬变电 压非常有效且成本较低。由于电路中无阻尼元件，随着功率等级的增大， 这种缓冲电路可能与直流母线寄生电感发生谐振，故应选择无电感电容 或者串联电阻。电容的参数可以通过实测来计算，也可以简单地选取 m o s f e t 极间电容的2 倍，电阻的参数与开关频率有关。 ；l ； ； j ； + i ： ：二b 州一一 ： ； 一 ， j“一ir 妇曛蠢l u s ；。量： 一“j c j 品i巨 - _ n q r f 卜霸。 筘l u i 比 i 一 卜卜一