（地球探测与信息技术专业论文）wdd2004伪随机多频大功率电法勘探发送机的研制.pdf

摘要 摘要 发送机为电法勘探提供场源，是电法仪器的一个重要组成部分。 电阻率法、激发极化法、瞬变电磁法、c s a m t 法，都需要提供场源。 场源的功率直接影响到勘探的效果。同时，无论是激电还是电磁法勘 探，大功率发送机可以解决若干采用中小功率发送机无法解决的问 题。尤其是大的探测深度要求和干扰强烈的地区，采用大功率发送机 在一定程度上可以解决上述问题。 为此，本文选择大功率的电法发送机来进行研究。首先，在众多 功率器件中选择本身已经集成了驱动电路和保护电路的智能功率模 块( i p m ) 作为逆变器。在此基础上，利用i p m 丰富的自我保护功能， 辅以合适的外围驱动电路、死区时间生成电路、外围保护电路以及缓 冲吸收电路即构成了一个具有高安全系数的大功率逆变器系统。进而 以这个系统为中心来设计发送机的辅助功能，如隔离放大测量系统、 智能降温和定时降温系统、声音报警系统、操作与显示系统( 输入输 出模块) 、串行通信系统以及隔离供电的省电供电系统。这些辅助功 能模块可以增强发送机的功能以及运行的稳定性。 最后对该伪随机多频大功率电法勘探发送机进行了伪随机多频 信号供电、2 万h z 供电及大功率低频供电试验。结果表明：无论是 供电的能力还是自我保护能力，该发送机都达到了设计要求。 关键词：伪随机多频信号，电法勘探，发送机，智能功率模块( i p m ) b s t r c t a b s t r a c t t r a n s m i t t e r , w h i c hs u p p l i e s e x c i t a t i o ns o u r c ef o re l e c t r i c a l e x p l o r a t i o n , i sa l li m p o r t a n tp a r to fi n s t a l m e n tf o re l e c t r i c a le x p l o r a t i o n e x c i t a t i o ns o u r c ei sn e e d e di nm a n ye x p l o r a t i o nm e t h o d s ，s u c ha s r e s t i v i t y , i p , t e ma n dc s a m t t h ep o w e ro fe x c i t a t i o n s o u r c e i n f l u e n c e st h er e s u l to fe x p l o r a t i o nd i r e c t l y m e a n w h i l e ，s o m ep r o b l e m s c a u s e db yl o wp o w e rt r a n s m i t t e rc a nb es o l v e db yh i g hp o w e rt r a n s m i t t e r u n d e rs o m ec a s e s ，e s p e c i a l l yi na r e aw i t hs w o n gi n t e r f e r e n c ea n da r e a r e q u i r el a r g ee x p l o r a t i o nd e p t h m a n ya s p e c t so fh i g hp o w e rt r a n s m i t t e ra r es t u d i e di nt h i sp a p e r f i r s t l y , i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ( i p m ) ，w h i c hi si n t e g r a t e dw i t hd r i v e r c i r c u i ta n dp r o t e c t i o nc i r c u i t , i ss e l e c t e da st h ei n v e r t e ro ft r a n s m i t t e r s e c o n d l y , s o m ep r o p e rp e r i p h e r a la u x i l i a r yc i r c u i t s ，s u c ha sp e r i p h e r a l d r i v e rc i r c u i t , d e a d - t i m eg e n e r a t i o nc i r c u i t , p e r i p h e r a lp r o t e c t i o nc i r c u i t a n db u f f e rc i r c u i t , a r ea p p l i e dt ob u i l dah i g hs a f e t yi n v e r t e rs y s t e m t h i r d l y , i no r d e r t oe n h a n c et h ef u n c t i o na n ds t a b i h t yo f t r a n s m i t t e r , s o m e o t h e ra s s i s t a n tc i r c u i t sa r ea l s oa p p l i e di nt h i ss y s t e m s u c h 髂m e a s u r i n g s y s t e mb a s e do ni s o l a t i o na m p l i f i e r , i n t e l l i g e n tc o o l e rs y s t e m ，w a r n i n g s y s t e m , o p e r a t i o na n dd i s p l a ys y s t e m , s e r i a lc o m m u n i c a t i o ns y s t e m , a tl a s t , s o m ep o w e rs u p p l yt e s t s ，w h i c hu s ep s e u d o - r a m d o m a b $ n c t m u l t i f r e q u e n c ys i g n a l ，a l e d o n eo nt h et r a n s m i t t e r t h e h i g h e s t f r e q u e n c y o ft r a n s m i t t e dc u r r e n ts i g n a li nt h et e s ti su pt o2 0 0 0 0h z t h e h i g hp o w e rs u p p l yt e s t sf o rl o wf f e q u e n c es i g n a la r ed o n ee i t h e r t h e r e s u l ts h o w st h a tt h et r a n s m i t t e rh a sr e a c h e dt h ed e s i g nr e q u i r e m e n t , i n c l u d i n gt h ep o w e rs u p p l ya b i l i t y a n dt h es e l f - p r o t e c t i o na b i l i t y k e y w o r d s ：p s e u d o - r a m d o mm u l t i f r e q u e n c ys i g n a l ，e l e c t r i c a l e x p l o r a t i o n , t r a n s m i t t e r , i n t e l l i g e n tp o w e rm o d u l e ( i p m ) 璺墨! 墨 图表目录 图2 i 发送机的整体设计方案3 衰3 l 双频波的分布规律6 表3 2 三频波自g 分布规律6 表3 3 五频波的分布规律7 表3 4 七频波的分布规律7 图3 - 1 双频波的控制信号 图3 - 2 合成双频波的电路示意图 图3 - 3 双频波合成示意图 图4 - 1 逆变器系统的构成框图 圈4 - 2m m 的内部结构 图4 - 3 报警输出外围电路 图4 - 4p m 2 0 c t m 0 6 0 - - 3 内部电路及管脚图 表4 1m m 管脚功能 图4 - 5i p m 的引脚连接图 图5 - l 几种常见的外围驱动电路 图5 - 2 改动后驱动电路示意图 图5 3 外围驱动电路 表5 - 1 仉p 7 5 9 的相关参数一1 9 图5 - 4i p m 响应示意图 图5 - 5 总延时示意图 图5 - 6 死区时间效果图 图6 1i p m 开关时间示意图 图6 - 2 死区时问示意图 图6 - 3 硬件实现t o 方案l 图6 - 4 硬件产生t d 方案2 图6 - 5 智能控制死区时闻电路图 图6 - 6 死区时间选择菜单 图6 - 7 加入t o 后的输出波形 图6 - s 恰当的空载时间设定 图6 - 9 错误的空载时间设定 图6 - 1 0 死区效果m u l t i s n h 仿真图 图6 - 1 1 最大死区时问效果波形图 图6 - 1 2 最小死区时间效果波形图 图7 1c 型缓冲电路 图7 - 2r c d 型缓冲电路 图7 - 3 改型后的r c d 缓冲电路 图7 4 箱位式r c d 缓冲电路 图7 - 5 缓冲电路最终定氆 图7 6 缓冲电路硬件图3 8 图8 - 1i p m 的外围保护电路4 2 _ 一一一m n心n墉璩 射也乜玎”勰孔配记驺驺弭孙弘”强 图表目录 图8 - 2 未报警时 图8 3 报警响应+ “ i 图8 - 4 软件保护流程图4 5 图9 - 1 多通道数据采集系统框图一4 6 图9 - 2 程控增益放大器基本原理图_ 4 7 图9 - 3 采样保持效果简图4 8 图9 - 4 数据采集系统电路由 图9 - 5 快速增益调整程序框图5 0 表9 - 1t c 7 1 0 9 的1 2 位输入量 图9 - 6a d 2 0 2 功能框图 图9 - 7 非线性度一输出偏移 图9 - 8 温度检测过程示意图 表9 - 2 需存储数据的格式及其大小 图1 0 1 供电系统整体设计框图 表1 0 1 各模块的参数及其作用 图1 0 - 2 供电系统电路设计 图1 0 - 3 省电菜单 图1 0 - 4 省电供电方式下d c - - d c 连接图 图1 1 1 键盘的接法 图1 1 - 2 精简的键盘接法 图l l - 3 按键抖动示意图 图1 1 - 4 硬件锁定电路 图1 1 - 5 按键扫描程序设计框图 图1 1 - 6l g l 2 8 6 4 4 的外形简图 表1 1 1l g l 2 8 6 4 4 的引脚定义 图1 1 - 7l g l 2 8 6 4 4 的总线读写时序 表1 1 - 2 时序图中各参数对应的含义 图1 2 一l 异步通信数据帧格式 表1 2 - 1 串口控制寄存器s c o n 的备位定义。7 0 表1 2 - 2 串口的四种工作方式 表1 2 - 3 不同工作方式下的波特率 表1 2 - 4 不同晶振频率下的波特率选择 表1 2 - 5 不同的s m o d 对应的t h l 初值 图1 2 - 2 发送机串行通信示意图 图1 2 - 3 接口电路 图1 2 - 4 通讯菜单 图1 3 一i 整机外观图 图1 3 - 2 外观斜视图 图1 3 - 3 面板图 图1 3 4 微机板可拆卸式设计 图1 3 - 5 机箱屏蔽设计 图1 3 - 6 开机状态 图1 3 7 开机系统初始化 图1 3 8 白检成功 、 虬鲐鲐铂卯鼹毋砷仉配矾酤酊酾卵酊醯醯 n他；2乃符竹他侣他仰舳 田表目录 图1 3 - 9 主菜单 图1 3 1 0 死区时间选择菜单 图1 3 1 l 定时降温选择菜单 图1 3 1 2 伪随机双频波 图1 3 1 3 伪随机三频波 图1 3 1 4 伪随机五频波 图1 3 一1 5 伪随机七频波 图1 3 - 1 6 伪随机九频波 图1 3 - 1 7 伪随机十一频波 图1 3 - 1 8 大功率供电试验 图1 3 1 9 发送机接线图 图1 3 2 0 记录试验结果 鲫叭虬眈配犯昭豁甜蚪料 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。 作者签名： 日期龇月埤日 关于学位论文使用授权说明 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，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；学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。 懒名：牛一名蟠赢妇厶冲 中南大擘硕士论文 第一幸绪论 1 1 研究的背景 第一章绪论 根据电法勘探发送机所采用电源的不同，可以分为三大类啪。第一类发送机 采用1 2 v 蓄电池作为电源，通过d c - d c 变换和逆变器，可实现最大输出电压 4 0 0 - 7 0 0 伏，最大输出电流卜2 a ，最大输出功率l o o - 2 0 0 w 。用在高密度电法仪、 工程型瞬变电磁仪和某些以解决工程问题为目的电法仪器中。例如，s t r a t a g e m 电磁成像系统用的两种发送机、s d - 1 瞬变电磁仪、g e o p e n 集团的一系列高密度 电法仪、a b 跚公司的高密度电法仪、a g i 公司的高密度电法仪等，都是采用1 2 v 蓄电池作为电源。z o n g e 公司和凤凰公司也研制了几种基于蓄电池的多功能电法 勘探场源。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 l m a - 1 2 a 连续可调，在国内外所有基于1 2 v 蓄电池作为电源高密度电法仪中指 标最高。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须波形， 可实现最大输出电压7 0 0 - 1 0 0 0 伏，最大输出电流2 - 1 0 a ，最大输出功率 8 0 0 - 2 0 0 0 w 。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 。第三类发送机采用直流发电机、5 0 h z 交流发电机或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、逆变等电路。其最大输出电压一般 为1 0 0 0 伏，最大输出电流为l o - 1 0 0 a ，最大输出功率5 k w 一1 6 0 k w 。用于大深度激 电、瞬变电磁、c s a 盯等勘探中。最大勘探深度可达l o 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 i n 。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，输入为2 2 0 v 5 0 h z ，最大输出电压为1 2 0 0 v ，最大输出电流为6 a 。 重庆地质仪器厂推出的l o k w 大功率发送机，输入为2 2 0 v 5 0 h z ，最大输出电压 为1 0 0 0 v ，最大输出电流为i o a 。 由于各种原因，我国在大功率发送机上与西方国家存在很大差距。虽然有不 少科研单位相继研制出了大功率发送机，但完善的很少。在大功率整流和滤波上， 差距较大，商用大功率发送机完全依赖进口。因此，大功率发送机成为国内近年 来研究的热点。 中南大学硕士论文 第一幸绪论 1 2 研究要达到的目标 1 、功能多：该发送机要求能够发送方波、伪随机双频、三频、五频、七频、 九频、十一频及外控信号等多种波形电流输出，可以进行频率域电磁法中的双频 激电、多频激电法中的振幅、相位测量，及频谱激电测量，以及用于电磁频率测 深及可控源音频大地电磁法。 2 、方便灵活：既可用于普查找矿如双频激电、三频激电、又可以用于详查， 仔细研究激电异常源的属性。既可用于生产如用某一频道( 如五频波) 中的某一 频点，亦可用于岩矿石的振幅、相位( 虚、实分量) 特征的频谱特性研究等基础 研究。 3 、大功率输出：发送机逆变器输出功率可达8 0 0 vx2 0 a ，即输出功率可达 1 6 k w 。出于散热与仪器的体积、重量比等因素全面衡量，设计额定输出功率为 l o k w 。 4 、安全可靠：仪器要求设有丰富的保护装置、仪器内部自检功能，保证野 外工作正常运行。 5 、自动化程度高：要求采用微处理机来处理系统事务，实现微机化、智能 化控制。工作状态要求在液晶屏上显示，以方便人机对话。 6 、抗干扰能力强：要求系统能够免受大功率逆变过程中产生的强大干扰。 7 、稳定性高：在各种环境下要求能长时间的正常供电m 。 8 、省电，方便携带。 2 中南大擘硕士论文 g - - 幸整机的设计 2 1 整体设计方案 第二章整机的设计 发送机最重要的组成部分是逆变器。然而仅有逆变器还是无法正常工作的， 更不用说完成大功率的供电任务了。因此，要达到供电的目的，必须要给逆变器 增加其他外围辅助电路，如外围驱动电路可以提供正确有效的驱动信号驱动逆变 器；缓冲电路可以分担一部分逆变器在开关过程中造成的瞬时高电压和过电流。 以上几个部分共同组成了发送机的逆变器系统。 在具备了基本的供电和自我保护能力之后，必须要把它加以完善。也就是说， 要在逆变器系统的基础上在增加其他行之有效保护措施，使该系统能在苛刻的条 件下工作而且避免损坏。增强它的安全性和运行时的稳定性就是这一步需要解决 的问题。 完成以上的工作之后，发送机的基本框架已经形成。最后要做的就是设计发 送机的辅助功能，提高它的方便性和易用性。 图2 - 1 发送机的整体设计方案 3 中南炙学硕士论文 第：幸整机竹改计 图2 - - 1 所示即为发送机的整体设计方案。可见该设计方案是由逆变器和其 它外围功能模块构成的，而外围功能模块按其在发送机内的作用又可以分为保护 模块和附加功能模块两种。其中保护模块是必不可少的，附加功能模块应按发送 机的实际需求来设计，切不可盲目求多。 与国内其他常见的发送机相比，该设计方案有两个不同之处：1 、控制信号 由外部引入，同时该控制信号的引脚定义和g d p l 6 的定义相同，也就是说可以用 g d p 的控制器来产生控制信号；2 、供电电池外置，在电池电量不足时不用关机 就可以更换电池，这点在发送机正在对外供电时显得尤为方便。 最后，整机是采用软硬件结合的技术，同时秉着“能用软件实现的就用软件 实现，没办法实现的再用硬件来解决”的原则，采用自上而下的设计方法按照图 2 - - 1 的设计方案来设计的。 2 2 各部分的功能 本文围绕伪随机多频大功率电法勘探发送机进行研究。为了使论证的条理清 晰、行文的结构合理，本文将发送机分解成多个功能模块，各个模块的设计及作 用在后续各章中分别论述。以下是各部分的基本情况： 第3 章为伪随机多频发送机控制信号，主要阐述该信号应用于电法勘探时的 优点，并给出了信号的分布规律和合成原理。 第4 章为逆变器选型，阐述了逆变器功率器件的选取和具体逆变器的设计。 第5 章为逆变器外围驱动电路，阐述了外围驱动电路的设计及参数的选取， 着重论述了相关器件的选用标准。 第6 章为死区时间选择，阐述了死区时间对发送机的重要性，提出了具体的 死区时间生成方案。 第7 章为缓冲电路，阐述了缓冲电路的选择，给出了缓冲电路元件的参数取 值分析。 第8 章为保护模块，阐述了i p m 外围辅助保护模块的设计及功能。 第9 章为检测模块，阐述了检测模块的设计并给出相应器件的选择。 第l o 章为供电系统设计，阐述了供电系统的两个特点，即隔离和省电。 第l l 章为操作与显示，阐述了键盘和液晶显示屏在发送机中的应用。 第1 2 章为通讯模块，阐述了发送机与外界通讯时的相关设置，着重论述了 波特率的选择问题。 4 中南大擘硕士论文 第三幸伪随机多颤发送机控耕信号 第三章伪随机多频发送机控制信号 3 1 伪随机多频信号简介 岔系列伪随机信号为中国工程院院士何继善所发明和命名。该系列信号随着 n 的不同，在时间域上具有不同的波形，其频谱也相应的不同。但这些信号的频 谱有一个共同的特点，就是它们的频谱在频率为2 蛳( k = o ，1 ，2 ，n _ 2 ，n - 1 ) 共n 个频率上大小基本相等，在这些频率上的功率之和占了信号总平均功率的大 部分，其余谐波含有的功率只占信号总平均功率的小部分，2 。系列伪随机信号的 名称也因此得来。单个伪随机信号根据n 的取值命名为伪随机r l 频波。例如，当 的取值为3 、5 、7 时，将所对应于的伪随机信号命名为伪随机三频波、伪随机五 频波、伪随机七频波。因此，2 系列伪随机信号是指无数个满足上述特点的信号 的集合，伪随机n 频波指的是2 系列伪随机信号集合中的一个具体信号。 3 2 伪随机多频信号的优点 1 、z 进制伪随机信号含有多个( 奇数个) 主基频率，因此一次发送可以多 个频率接收，工作效率高 2 、各个主基频率振幅值基本相等，因而各个主基频率是在同等精度下进行 测量的，因此观测精度高。 3 、波形能量基本上都集中在主频率上，电源利用率高，因而发送设备特别 是电源较为轻便，适合在交通不便的山区开展电法工作。 4 、2 “系列伪随机波中的各个主基频率按2 。步进，因此各主频率在对数坐标 上是均匀分布的，这在电磁法勘探中是十分重要的。 5 、各个主频率的起始相位相同，这在激电法、谱激电法、及复电阻率法中 易实现相位测量。 6 、利用2 4 系列伪随机信号作为场源，可以开展双频、多频激电法，谱激电 法，可控源音频大地电磁测深等多种方法、可进行振幅、相位( 虚分量、实分量) 测量，可计算视电阻率、视幅频率、绝对相位、相对相位等多种参数。因此具有 多功能多参数特点，适应不同地电条件中、不同地质环境找矿需要。 7 、双频、多频激电法的视幅频率参数受地形影响小，无异常源( 矿或矿化 体) 存在时纯地形不会产生假异常。有异常存在时，地形使异常曲线形态发生畸 变，但异常还是存在。 5 中南大擘硕士论文g z 章伪随机多频发送机控制信号 8 、利用多频激电的相位特性可提供区分激电异常源的属性的信息，如区分 碳质及金属硫化物，减小地质工程失误。 3 3 伪随机多频信号的分布规律 3 3 1 双频波 表3 - 1 双频波的分布规律 ，l ( h z ) ，2 ( h 暑) l1 1 3 22 1 3 44 1 3 88 1 3 1 61 6 1 3 3 2 3 2 1 3 6 46 4 1 3 1 2 81 2 8 1 3 2 5 62 5 6 1 3 5 1 25 1 2 1 3 3 3 2 三频波 表3 - 2 三频波的分布规律 ，1 ( h z )五o i z )，3 ( h z ) 1 6 41 1 61 4 1 3 21 81 2 1 1 61 4 l 1 81 2 2 1 414 1 228 141 6 28 3 2 41 6 6 4 8 3 21 2 8 6 中南大擘硕士论文g _ - 幸伪随机多频发送机控制信号 3 3 3 五频波 表3 - 3 五频波的分布规律 ，l ( h z )，2 ( h z ) ( h z )，( i z )，5 ( h z ) 1 6 4 1 3 21 1 61 8 l 4 1 3 21 1 61 81 4 1 2 1 1 6 l 8 1 4 1 21 l 8l 41 2l2 1 41 2124 1 21248 12481 6 2481 63 2 481 63 26 4 8 1 63 26 41 2 8 3 3 4 七频波 表卜4 七频波的分布规律 ，l ( h z ) ( h z )，j ( h z )，| o i z )，5 ( h z ) ( h z ) ，7 m z ) 1 1 2 8 1 6 41 3 2 1 1 6 1 81 41 2 1 3 21 1 61 81 4 1 2l2 1 81 41 2 1248 1 2 12481 63 2 2481 63 26 41 2 8 81 63 26 41 2 82 5 65 1 2 3 2 6 4 1 2 8 2 5 65 1 21 0 2 42 0 4 8 1 2 82 5 65 1 21 0 2 4 2 0 4 84 0 9 68 1 9 2 7 中南大学项士论文第三章伪随机多额发送机挫制信号 图3 - 1 双频波的控制信号 图3 1 中所示a 相为极性控制信号( p l r t y ) ，该信号为“1 ”时发送机正向 供电，为“0 ”时反向供电。b 相为供电信号( t x o n ) ，为“l ”时发送机不供电， 为“0 ”时开始供电。 图3 - 2 合成双频波的电路示意图 p l r t y 几几f 1 兀几几1 1 r x o n 几f 1n 几f 1 门几丌n 几几f 1n 几i a - b 图3 - 3 双频波合成示意图 最后要说明的是，伪随机控制信号的频率并不仅仅局限于表3 1 到表3 4 所列的几种频率。它们反映的只是一个规律而以。 8 十南大擘硕士论文 第四章逆变器选型 第四章逆变器选型 电法勘探发送机是通过控制信号来控制逆变开关的通断，将加在逆变器上的 直流电源逆变成我们所要求的波形发送出去。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“4 。 4 1 引言 对于高频大功率电法勘探发送机而言，最脆弱的部位一一逆变器容易烧毁。 究其原因，主要是因为逆变器本身的性能不高以及对逆变器保护不力。而目前采 用较多的逆变器如可控硅、i g b t 等存在一些缺陷：外围附加电路较多，整机系 统体积庞大；保护功能没有或者相对简单、没有过热保护；保护速度不及时等。 针对目前存在的这些问题，提出了一种新的逆变器系统设计，即选用新一代功率 器件i p m 。该器件的优点是本身集成了可靠的驱动电路，并且具有多种保护功能， 保护更全面。配合外加保护电路的辅助保护，即可构成一个更安全有效的逆变器 系统。 4 2 逆变器系统的构成 电法勘探发送机是通过控制信号来控制逆变开关的通断，将加在逆交器上的 直流电源逆变成我们所要求的波形发送出去。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“4 图4 - i 逆变器系统的构成框图 9 中南大学硕士论文第四幸逆变器选型 如图4 1 所示逆变开关选用i p m ，该模块的最大特点是可以承受高电压与 大电流，同时内部集成了驱动和保护电路，简化了外围电路的设计，大大提高了 系统的可靠性与安全性。该逆变器系统还由外围辅助电路构成，包括驱动隔离电 路和缓冲保护电路两部分。本章只讨论逆变器的问题，外围辅助电路将在后续章 节里加以阐述。 4 3i p m 的特点 i p m 是智能功率模块的简称，它以低饱和压降i g b t 芯片为基本功率开关元 件，集功率变换，驱动及保护电路于一身。其特点如下： 4 3 1 完善、快速的保护功能 从图4 2 中可以看出，i p m 主要有过流、短路、欠压和过热保护渊。 图4 - 2i p m 的内部结构 a 过电流保护 如果i g b t 集电极电流超过过流断开阀值( 0 c ) 且持续时间大于t o r t ( o c ，6 8 u s ) ，i g b t 就会被关断。电流在0 c 以上但时间小于t 。( o c ) 的短路脉冲电流 不会有危险，过流保护电路将不予理睬。在保护闭锁期间，即使有控制信号输入， i g b t 也不工作。约1 3 m s 后，下一个有效输入时，i p m 恢复正常运行。 b 短路保护 过电流保护动作时，短路保护将联动，i p m 内部的短路保护电路就会关断 i g b t 。如果流过i g b t 的电流超过短路断开阀值( s o ) ，就会立即进行软关断，同 时产生一个故障信号。约1 3 m s 后，下一个有效输入时，i p m 恢复正常运行。 l o 申南犬擘项士论文第四幸逆变嚣选型 c 控制电源欠压保护 i 刚的内部控制电路由1 5 v 的直流电源供电，只要该电源电压下降到指定的 欠压断开阀值( u v ，约为1 2 5 v ) 以下，且输入信号为o n ( 低电平) ，i p m 就会软关 断，同时会产生一个故障信号。如果小毛刺干扰时间小于指定的延迟时间t * ， 则控制电路不会受到影响，欠压保护电路也不予理睬。为了恢复到正常的运行状 态，电源电压必须超过欠压复位阀值( 咐，且输入信号为o f f ( 高电平) 在控 制电源上电和掉电期间，欠压保护电路都有可能起作用，这是正常现象。 d 过热保护 在靠近i g b t 芯片的绝缘基板上安装有温度传感器。如果基板的温度超过过 热断开i 值( o t ，约为i i o 。c ) ，i p m 内部的保护电路就会截止门极驱动，不响应控 制输入信号，直到过热根源被排除，从而保护了功率模块。当温度下降到过热复 位阀值( o t r ) 以下，同时控制输入为高电平( 断态) 时，功率芯片将恢复操作，当 下一个低电平输入信号( 通态) 来临时就恢复正常运行。 4 3 2 报警输出 当以上任何一种保护电路工作时，i p m 都会自动封锁驱动信号，同时输出 一个固定宽度的低电平故障信号f o 。但是由于i p i i 的保护动作能自动复位，即 i 蹦的内置保护功能仅针对非重复异常现象。如过流保护动作持续1 3 m s 后，在 下一个有效输入到来时，i p m 恢复正常运行，此时过流保护将再次动作，如此重 复。因此，当有f o 输出时，外围保护电路应当能完全封锁输入控制信号，避免 在i p m 内部保护功能自动复位后再次启动i p m 而导致保护失效，造成i p m 的损坏 图4 - 3 报警输出外围电路 如图4 3 所示，当i p m 正常工作时，f o 输出为高电平，光耦截止，i n t o 为高电平；一旦i p m 报警，f o 输出为低电平，光耦导通，i n t o 被拉低，产生外 中断，进入中断服务程序，保护i p m 。 值得一提的是虽然i p m 的上下桥臂都有过流、短路、和欠压保护，但过热保 护仅在下桥臂；同时，上下桥臂任何一个管子发生故障，保护动作都将启动，但 上桥臂仅有动作但无f o 输出，因此仅当下桥臂发生故障时，故障输出端才有f o 输出。实际上大多数异常情况，如过载，短路等最终都将通过下桥臂的故障反应 出来。 1 1 中南失学硕士论文第口章逆变器选型 4 4i p m 在电法勘探发送机上的应用 图4 - 4p m 2 0 c t m 0 6 0 3 内部电路及管脚图 如图4 4 所示，该型号i p m 引脚分为控制端( 脚1 脚1 5 ) 和功率转换输 入输出( 脚1 6 脚2 0 ) 两部分，或者可分为3 相，每相有上下两个桥臂，其中 上桥臂3 个单元由3 组1 5 y d c 隔离电源供电，它们是。、v 。；。、v 。以及。、 v 。，下桥臂只需一组隔离电源即可，它的输入端是u 。和。具体各个引脚功能 见表4 1 ： 中南大擘硕士论文 第日幸逆变嚣选型 表4 - 1i 蹦管脚功能 引脚功能备 注 v 唧3 v 州6 四组1 5 v d c 隔离电源输入，其中 v 硎 9 v n l 为下桥臂三单元共用 四路控制电源要求比较高，电压范围： v m 1 1 1 5 v 士1 0 ，还应尽量降低纹波电压， v e l 使电源附加噪声降到最小，避免误导 四组隔离电源对应地线( g n d ) ， “虻4 通 彼此隔离，互不干扰。下桥臂三 、k7 单元共用v n c v 孵 1 0 i l p 2 上桥臂三单元对应控制输入端， v p5 低电平有效 8输入高电平时，对应的功率单元截止， t 】i 1 2低电平导通。 下桥臂三单元对应控制输入端， “1 3 低电平有效 砜1 4 f o1 5 故障信号，输出低电平 平时为1 5 v d c p1 6直流电源输入端 b o o r 系列工作在4 0 0 v 以下，最大不 超过5 0 0 v ；1 2 0 0 v 在8 0 0 v 以下，最大 n1 7直流电源输出端 不超过9 0 0 v 。 u1 8 v 1 9三相逆变输出与负载相连，提供负载转换后的电流 2 0 由表4 - - 1 可见，该i p m 共有三相输出，而发送机只需由两路输出即可，剩 下不用的一相上下桥臂应当保持关断状态，即控制输入信号为保持高电平，对应 输出管脚悬空。以下是发送机使用i p m 时相应的外围连接图。 1 3 中南大学硕士论文第四幸逆变器选型 图4 - 5i 蹦的引脚连接图 图4 5 所示u p 、v p 、w p 、u n 、v n 、w n 分别为i p m 对应的逆变开关控制信号 输入端，对应六个功率转换开关，而发送机逆变器只需用到其中的四个即可。当 控制输入信号口为低时，逆变开关导通；当p 为高时，逆变开关截止。 v * p l 和v , p c 分别为四组相互隔离控制的电源输入端和地线 当控制信号卯有效、凹截止时，供电电流走向：电源+ 一p 一管l u 一负载( 大地) 一v 一管5 一n 一电源一。 当韶有效、们截止时，供电电流走向：电源+ 一p 一管2 一v 一负载 ( 大地) 一u 一管4 一n 一电源一 这样，通过适当的控制，即可满足发送机向下发送不同频率波形的要求。 中南大学硕士论文 第四幸逆变嚣选型 4 5 本章小结 由于i g b t 具有高转换功率的特点，所以i p m 可以承受较高的电压和电流； 同时其本身已经集成了驱动电路和保护电路，大大减少了外围器件，提高了集成 度和系统的可靠性；搭配单片机的智能控制以及选择恰当的外围驱动电路和缓冲 电路，即可组成一套高安全系数的电法发送机系统。而一旦出现各种突发情况， i p m 在切断自身控制信号的同时迅速向控制器发出报警信号，使模块工作在关断 状态，保护系统免受损坏在排除故障后，模块即可恢复正常工作。由于外接电 路简单，故障识别更轻松，故障排除更简单，可有效提高工作效率。 1 5 中南大学硕士论文 第五章逆变嚣外围驱动电路 第五章逆变器外围驱动电路 i p m 作为开关器件不可避免地存在关断时间，对于电法勘探而言，感抗负载 有时比较大，而感抗的大小往往会影响到逆变开关的关断时间，倘若不考虑关断 时间影响就会导致供电回路短路，严重时会烧毁器件。所以，某些变频领域下所 提倡的采用高速光耦( 往往意味着高成本) 来达到较高开关频率的做法在物探领 域并不恰当。本文在分析了几种常用的外围驱动电路基础上，结合电法勘探的特 殊性，提出了一种i p m 外围驱动电路设计的方法，并给出了相关参数的取值以及 器件选型分析。该方法在降低系统成本的同时可以更安全地驱动i p m 。 5 1 引言 对于高频大功率电法勘探发送机而言，其核心部分一逆变器工作在较苛刻 的条件下，稍有不慎就会引起毁灭性的后果。因此，除了采取完善的保护措施外， 正确的选用外围驱动电路也是完全必要的，否则难免会发生因控制信号的错误而 产生的误导通现象。 目前已经有很多研究对i p m 的使用提出了见解，但是直接将这些观点移植到 物探领域来却会产生很严重的问题，比如死区的选择、器件的选取等等；另一方 面，i p m 在物探上应用的相关资料比较少，这就容易导致在使用i p m 的问题上出 现盲目性。 为了解决上述问题，本文提出了一种基于i p m 电法勘探发送机逆变器外围驱 动电路设计的方法，包括电路的设计原理、器件和参数选择应考虑的问题以及布 线的要求等等。 5 2 外围驱动电路 5 2 1对外围驱动电路基本要求 一种合适的驱动电路不仅能提供适当的驱动信号使i p m 正常工作，而且可以 保证i p m 模块安全。一般而言，对外围驱动电路有如下基本要求： 1 i p m 所需的控制电压是1 5 v ，所以驱动电路要求能够提供稳定的、具有 一定功率的1 5 v 驱动电源； 2 i p m 模块的工作状况很大程度上取决于正确、有效、及时的控制信号。 因此驱动电路应稳定可靠，同时应该体积小、成本低； 1 8 中南大擘硕士论文 第五幸逆变器外围驱动电路 3 i p m 控制端地线与功率转换端并没有完全隔离，因此必须将i p m 模块和 控制部分的弱电电路隔离开来，实现弱电的控制电路和强电的供电回路电气上的 隔离，以保护控制系统。 5 2 2 几种常用的外围驱动电路分析 控制 b c d 图5 - 1 几种常见的外围驱动电路 1 7 中南大学硕士论文第五幸逆变器外围驱动电路 图5 1 所示的几种驱动电路伽都较为简单，其中光耦o p t o 的作用就是为了 实现弱电的控制电路和强电的供电主回路电气上隔离。当光耦截止时，1 5 v 电压 通过r 2 加在i p m 控制信号输入端u p 上，为高电平，i p m 相应逆变开关截止；而 光耦导通时，i p m 控制信号输入端u p 为低电平，i p m 相应的逆变开关导通。 值得注意的是光耦截止时，加在光耦输出端的电压为1 5 v ，当光耦接上负载 ( 和i p m 的控制端子相连) 时也有8 v 左右，而一些光耦的输出电压达不到这个 程度，如高速光耦6 n 1 3 7 的输出电压只有7 v 。这样就可能将光耦烧坏，所以， 必须在原有电路的基础上做相应的改动才能满足要求。图5 - - 2 即是其中的一种 改法嘲： 图5 - 2 改动后驱动电路示意图 可见，由于稳压管d w 的作用，光耦所承受的最高输出电压就是d w 的稳压电 压，所以适当地选取稳压管就能保护一些低输出电压的光耦免受损坏。 5 3 相关参数的计算 虽然各种驱动电路的形式有所不同，但原则上基本一致，其作用都是把控制 信号通过光耦隔离后接入i p m 的控制端。只要电路的相关参数选择恰当就能可靠 地驱动i p m 。一般说来，在满足要求的前提下，越简单的电路往往越可靠。因此， 以下结合i 蹦模块6 m b p 2 5 r a l 2 0 来选择图5 3 所示的驱动电路各参数的取值， 其它驱动电路或者模块只需根据相应情况进行调整即可。 拄翻 图5 - 3 外围驱动电路 1 8 中南大擘硕士论文第五章逆变嚣外固驱动电路 该驱动电路中有r l 、r 2 、c 1 、c 2 的参数以及光耦、非门的型号需要确定。 电容的作用一般是滤波和去耦，其参数对电路正常工作影响不是很大，同时电容 参数的可选性不像电阻一样丰富，具有较大的离散性。根据大多数资料的推荐， 一般取推荐值c 1 = 0 1 u f 、c 2 = l o u f 。非门采用高速的7 4 h c 0 4 ，并选用h c p l 一 4 5 0 5 ，h c p l - - 4 5 0 6 ，t l p7 5 9 、t l p5 5 9 等高速光耦n 蚰 表5 - 1t l p7 5 9 的相关参数 c i i a i l c 讯i s t i cs y 她0 lr j 盯i n gu n i t f o r w a r dc u r r e n ti f 2 5 a f o r w a r dv o l t a g e ( i p = 1 6 m a ) “1 8 5v 自 p e a kt r a n s i e n tf o r w a r dc u r r e n ti 忡5 0m a 一 r e v e r s ev o l t a g ev i5v d i o d e p o w e rd i s s i p a t i o nr4 5m 0 u t p u tc u r r e n ti o 8m a 重 p e a l 【0 u t p u tc u r r e n t i 1 6m a 吕 0 u t p u tv o l t a g e v 0 - - 0 5 2 0 v 蓉 s u p p l yv o l t a g e - - 0 5 3 0 v o u t p u tp o w e rd i s s i p a t i o n p o 1 0 0研 表5 - - 1 是t l p7 5 9 的技术手册上的部分参数，同时可以从7 4 h c 0 4 的技术手 册上查得其输出端最大负载电流i 。= + _ 2 5 m a 。也就是说，当t i f f l 输出为低时最 大可以吸收2 5 i a 的灌电流。 影响r 2 取值的因素有两个：光耦的i o 和i p m 的u p 端所允许的输入电流i 。； 影响r 1 的因素有三个：光耦的i 。c t r 和q l ! f 输出