感性負(fù)載的雙極性陡脈沖電流源及陡脈沖電流控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種感性負(fù)載的雙極性電流源及脈沖電流控制方法，應(yīng)用于地球物理探測、工業(yè)無損檢測和醫(yī)療磁場發(fā)生器等領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]理想的方波電流前后沿呈階躍變化。當(dāng)負(fù)載為純電阻負(fù)載時，負(fù)載電流幾乎為理想的方波電流。方波電流發(fā)生裝置可以產(chǎn)生正極性、負(fù)極性或雙極性方波電流。雙極性方波電流一般通過全橋電路來實現(xiàn)，四個橋臂采用全控型電力電子開關(guān)器件。
[0003]方波電流頻帶寬，是地球物理探測發(fā)射機、腫瘤治療強磁場發(fā)生器、工業(yè)無損檢測儀等領(lǐng)域采用的主要電流波形，其高陡度的電流上升沿和下降沿能夠產(chǎn)生很強的磁場。為了利用上升沿和下降沿所獲得的強磁場，方波電流發(fā)生裝置的輸出連接線圈或電磁鐵等負(fù)載，而線圈或電磁鐵負(fù)載為大感性負(fù)載，導(dǎo)致負(fù)載電流下降沿不能迅速關(guān)斷，電流上升沿呈現(xiàn)很長的指數(shù)上升過程。大感性負(fù)載在實際使用中所帶來問題有:
電流下降沿時，負(fù)載電流不能迅速關(guān)斷，即關(guān)斷延時的存在，導(dǎo)致負(fù)載激起的磁場減弱，用于地球物理瞬變電磁發(fā)射時負(fù)載電流產(chǎn)生的一次場和地下渦流產(chǎn)生的二磁場混疊起來，使接收數(shù)據(jù)處理困難，導(dǎo)致地下目標(biāo)識別錯誤。
[0004]大感性負(fù)載的時間常數(shù)大，上升沿的指數(shù)上升過程，引起嚴(yán)重的波形畸變，上升沿變緩存在的問題:1、達(dá)到穩(wěn)定的平臺電流需要很長時間，限制方波電流頻率的提高；2、在工作頻率確定的情況下，負(fù)載電流上升沿過長，不得不縮短穩(wěn)態(tài)電流持續(xù)時間，導(dǎo)致不能在探測空間中建立穩(wěn)定的磁場，而且上升沿產(chǎn)生的磁場也容易與下降沿產(chǎn)生的磁場疊加，影響探測效果；3、由于上升沿的緩變，產(chǎn)生的磁場很弱，上升沿引起的響應(yīng)無法利用，使探測效率大大降低，也無法結(jié)合上升沿和下降沿激起的響應(yīng)來抵消誤差數(shù)據(jù)。
[0005]為了消除大感性負(fù)載對電流方波跳沿的影響，現(xiàn)有技術(shù)中有的為大感性負(fù)載增加能量泄放電路以加速負(fù)載電流關(guān)斷；有的增加儲能電容儲存下降沿的能量并在上升沿時回饋給負(fù)載；有的實施負(fù)載電壓鉗位。這些技術(shù)手段僅對電流下降沿改善起到了明顯的作用，但對電流上升沿的改善則收效甚微。
[0006]例如，專利申請?zhí)枮?00710093089.0，專利名稱為“雙極性陡磁場脈沖振蕩磁場下磁性微球載體的靶向控釋系統(tǒng)”，提出了一種雙極性陡脈沖振蕩磁場裝置，它包括直流電源、控制器、電子開關(guān)驅(qū)動電路、主電路和電磁鐵，其中主電路包括續(xù)流阻斷二極管，全橋電路和儲能電容，全橋電路為四個電子開關(guān)組成的全橋結(jié)構(gòu)的雙極性轉(zhuǎn)換開關(guān)陣列，每個電子開關(guān)上并聯(lián)寄生二極管。該裝置中的儲能電容為負(fù)載電感提供能量泄放，對電流下降沿起到了加速作用，但儲能電容能量僅由負(fù)載電感續(xù)流產(chǎn)生一次充電，對負(fù)載電流上升沿加速有一定的作用，但儲能電容的作用受到一次充電的限制，能量不足以滿足負(fù)載電流快速上升的需求。
[0007]再如，專利申請?zhí)枮?01110310177.8，專利名稱為“電流脈沖上升沿和下降沿加速裝置及加速方法”，該裝置由可控直流電源的正極通過開關(guān)K連接穩(wěn)壓嵌位電路、雙極性電流脈沖發(fā)生器和大地負(fù)載的正極連接，可控直流電源的負(fù)極通過雙極性電流脈沖發(fā)生器與大地負(fù)載的負(fù)極連接，嵌位電壓源與可控直流電源的正極連接，可控直流電源的負(fù)極與嵌位電壓源連接，穩(wěn)壓嵌位電路與嵌位電壓源連接，穩(wěn)壓控制電路與嵌位電壓源連接，脈沖控制電路與雙極性電流脈沖發(fā)生器連接構(gòu)成。該裝置的輸出直接與大地連接，大地屬于阻性負(fù)載，這類負(fù)載的暫態(tài)過程本來很短，不適用于大感性負(fù)載的情況。該專利說明書中沒有給出實施例的實驗或仿真結(jié)果。實際上，該專利中鉗位電壓源可以提高上升沿的線性度，但該電路結(jié)構(gòu)中鉗位電壓源工作的前提是，鉗位電壓低于負(fù)載電流關(guān)斷時負(fù)載電感上產(chǎn)生的反電勢，因此對負(fù)載電流上升速度并無改善作用，通過對該專利所給電路開展仿真分析也證實了這一點。
[0008]又如，專利申請?zhí)枮?00810069272.1，專利名稱為“感性負(fù)載的寬頻恒幅交流方波電流控制方法及裝置”，該裝置包括直流電源、交流方波電流發(fā)生器、交流方波電流控制電路、感性負(fù)載、能量補充電路、滯環(huán)控制電路、嵌位電路和嵌位電壓源。雖然從理論上講，提高鉗位電壓可以提升負(fù)載電流的陡度，但是該專利存在以下明顯的缺陷:1、由于鉗位電路控制開關(guān)的動作滯后，負(fù)載電感和兩個恒流電感構(gòu)成的復(fù)合支路在換向之初和結(jié)束時均發(fā)生較大的改變，導(dǎo)致?lián)Q向前后負(fù)載電流發(fā)生了大幅振蕩，振蕩幅度接近負(fù)載電流幅值，該專利說明書中的實驗波形也證實了這一點，這是方波電流源必須避免的；2、在電路工作期間的電流導(dǎo)通回路中，并聯(lián)的恒流電感與負(fù)載電感分流，串聯(lián)的恒流電感與負(fù)載電感分流，其本身的電阻特性導(dǎo)致大量的功率損失，其感性特性則容易帶來強烈的電磁干擾，影響電路的正常工作；3、需要專門的鉗位電壓源，且負(fù)載改變時兩個恒流電感也需要調(diào)整，使該裝置使用不方便。
[0009]綜上所述，對于大感性負(fù)載，現(xiàn)有技術(shù)中能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)載電流下降速度較快，上升沿初期也能加速，但對大感性負(fù)載電流上升存在很長的指數(shù)曲線達(dá)到平臺電流的過程沒有一種有效的處理手段。感性負(fù)載電流指數(shù)上升遲延成為電學(xué)中難以處理的技術(shù)問題。
[0010]本專利申請中所稱的大感性負(fù)載是指電感量較大的電感線圈或電磁鐵。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]針對現(xiàn)有技術(shù)中的感性負(fù)載電流指數(shù)上升遲延這一技術(shù)難題，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題就是提供一種感性負(fù)載的雙極性陡脈沖電流源及電流控制方法，能預(yù)先為感性負(fù)載電流上升補充儲能，縮短電流指數(shù)上升遲延時間，使感性負(fù)載獲得的脈沖電流波形接近理想的階躍方波，實現(xiàn)電流方波跳沿陡度提升，在上升沿產(chǎn)生強磁場，且能大幅提高電流波形的頻率。
[0012]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是通過這樣的技術(shù)方案實現(xiàn)的，它包括有直流電源電路、全橋逆變電路和驅(qū)動脈沖發(fā)生器，全橋逆變電路為第一至四全控半導(dǎo)體開關(guān)S1、S2、S3、S4組成全橋結(jié)構(gòu)，每個全控半導(dǎo)體開關(guān)并聯(lián)相應(yīng)的續(xù)流二極管Dl、D2、D3、D4 ;全橋逆變電路的交流輸出側(cè)連接感性負(fù)載兩端，全橋逆變電路的直流側(cè)與儲能電容C并聯(lián)后連接在直流電源電路兩端，直流電源電路由直流電源Us經(jīng)電源開關(guān)K和第一單向?qū)ǘO管D5輸出電流，還包括有上升沿陡度提升電路，上升沿陡度提升電路具有能量提升支路和通斷控制元件，能量提升支路以電源開關(guān)K后端為起點，由第六全控半導(dǎo)體開關(guān)S6、儲能電感Lb、限流電阻Rb串聯(lián)，經(jīng)第二單向?qū)ǘO管D6連接在儲能電容C的正極，第五全控半導(dǎo)體開關(guān)S5為通斷控制元件，它連接在第二單向?qū)ǘO管D6正極與直流電源Us負(fù)極之間；驅(qū)動脈沖發(fā)生器輸入端連接有測量感性負(fù)載電流的電流傳感器、輸出端控制第一至六全控半導(dǎo)體開關(guān) S1、S2、S3、S4、S5、S6。
[0013]本發(fā)明在現(xiàn)有全橋逆變電路與儲能電容C組合實現(xiàn)感性負(fù)載能量泄放和電流上升初期加速的基礎(chǔ)上，再新增上升沿陡度提升電路，該電路由第六全控半導(dǎo)體開關(guān)S6、儲能電感Lb、限流電阻Rb、第二單向?qū)ǘO管D6和第五全控半導(dǎo)體開關(guān)S5構(gòu)成。
[0014]在感性負(fù)載電流紅下降為O和保持為O的時段，第六全控半導(dǎo)體開關(guān)S6閉合，當(dāng)?shù)谖迦匕雽?dǎo)體開關(guān)S5閉合時，電流經(jīng)儲能電感Lb、限流電阻Rb和第五全控半導(dǎo)體開關(guān)S5回到直流電源Us負(fù)極，儲能電感Lb儲能；在第五全控半導(dǎo)體開關(guān)S5斷開時，儲能電感Lb右側(cè)獲得感應(yīng)電動勢正極，Lb感應(yīng)電流從D6流出，經(jīng)儲能電容C，再經(jīng)直流電源Us形成回路，儲能電感Lb向儲能電容C補充充電，使儲能電容C的電壓升高；當(dāng)?shù)谖迦匕雽?dǎo)體開關(guān)S5通斷多次，則儲能電感Lb向儲能電容C多次補充充電，儲能電容C的電壓達(dá)到預(yù)設(shè)值。在全橋逆變電路反向?qū)〞r，高電壓的儲能電容C向感性負(fù)載放電，其放電電流速度高于感性負(fù)載電流指數(shù)上升的速度，所以上升沿陡度提升電路通過儲能電容C改變了感性負(fù)載電流指數(shù)上升的過程，縮短了電流指數(shù)上升遲延時間。
[0015]由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明具有如下的優(yōu)點:通過對儲能電容C補充儲能，改變了感性負(fù)載電流指數(shù)上升的過程，為電學(xué)領(lǐng)域中長期存在的感性負(fù)載的電流上升指數(shù)曲線問題尋找到了一種有效的處理方法，縮短了電流指數(shù)上升遲延時間，使感性負(fù)載獲得的脈沖電流波形接近理想的階躍方波，實現(xiàn)電流方波跳沿陡度提升。
【附圖說明】
[0016]本發(fā)明的【附圖說明】如下:
圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)框圖；
圖2為本發(fā)明的原理電路圖；
圖3為雙極性脈沖負(fù)載電流波形對比圖；
其中:(a)為雙極性脈沖負(fù)載電流的理想波形；
(b)為無任何邊沿提升措施的雙極性脈沖感性負(fù)載電流波形；
(C)為在直流側(cè)設(shè)置了儲能電容的雙極性脈沖感性負(fù)載電流波形；
Cd)為本發(fā)明的雙極性脈沖感性負(fù)載電流波形；
圖4為本發(fā)明的工作時序圖；
圖5為本發(fā)明的實驗檢測波形圖；
圖6為圖5的A區(qū)的局部放大圖；
圖7為雙極性陡脈沖感性負(fù)載電流采樣時刻示意圖。
[0017]圖1中:1.直流電源電路；2.全橋逆變電路；3.驅(qū)動脈沖發(fā)生器；4.感性負(fù)載；5.上升沿陡度提升電路。
【具體實施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明:
如圖1和圖2所示，本發(fā)明包括有直流電源電路1、全橋逆變電路2和驅(qū)動脈沖發(fā)生器3，全橋逆變電路I為第一至四全控半導(dǎo)體開關(guān)S1、S2、S3、S4組成全橋結(jié)構(gòu)，每個全控半導(dǎo)體開關(guān)并聯(lián)相應(yīng)的續(xù)流二極管Dl、D2、D3、D4 ;全橋逆變電路2的交流輸出側(cè)連接感性負(fù)載4兩端，全橋逆變電路2的直流側(cè)與儲能電容C并聯(lián)后連接在直流電源電路I兩端，直流電源電路I由直流電源Us經(jīng)電源開關(guān)K和第一單向?qū)ǘO管D5輸出電流，還包括有上升沿陡度提升電路5，上升沿陡度提升電路5具有能量提升支路和通斷控制元件，能量提升支路以電源開關(guān)K后端為起點，由第六全控半導(dǎo)體開關(guān)S6、儲能電感Lb、限流電阻Rb串聯(lián)，經(jīng)第二單向?qū)ǘO管D6連接在儲能電容C的正極，第五全控半導(dǎo)體開關(guān)S5為通斷控制元件，它連接在第