感性負載的雙極性陡脈沖電流源及陡脈沖電流控制方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種感性負載的雙極性電流源及脈沖電流控制方法，應用于地球物理探測、工業無損檢測和醫療磁場發生器等領域。
【背景技術】
[0002]理想的方波電流前后沿呈階躍變化。當負載為純電阻負載時，負載電流幾乎為理想的方波電流。方波電流發生裝置可以產生正極性、負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，四個橋臂采用全控型電力電子開關器件。
[0003]方波電流頻帶寬，是地球物理探測發射機、腫瘤治療強磁場發生器、工業無損檢測儀等領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，方波電流發生裝置的輸出連接線圈或電磁鐵等負載，而線圈或電磁鐵負載為大感性負載，導致負載電流下降沿不能迅速關斷，電流上升沿呈現很長的指數上升過程。大感性負載在實際使用中所帶來問題有:
電流下降沿時，負載電流不能迅速關斷，即關斷延時的存在，導致負載激起的磁場減弱，用于地球物理瞬變電磁發射時負載電流產生的一次場和地下渦流產生的二磁場混疊起來，使接收數據處理困難，導致地下目標識別錯誤。
[0004]大感性負載的時間常數大，上升沿的指數上升過程，引起嚴重的波形畸變，上升沿變緩存在的問題:1、達到穩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，負載電流上升沿過長，不得不縮短穩態電流持續時間，導致不能在探測空間中建立穩定的磁場，而且上升沿產生的磁場也容易與下降沿產生的磁場疊加，影響探測效果；3、由于上升沿的緩變，產生的磁場很弱，上升沿引起的響應無法利用，使探測效率大大降低，也無法結合上升沿和下降沿激起的響應來抵消誤差數據。
[0005]為了消除大感性負載對電流方波跳沿的影響，現有技術中有的為大感性負載增加能量泄放電路以加速負載電流關斷；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載；有的實施負載電壓鉗位。這些技術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，專利申請號為200710093089.0，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”，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、電子開關驅動電路、主電路和電磁鐵，其中主電路包括續流阻斷二極管，全橋電路和儲能電容，全橋電路為四個電子開關組成的全橋結構的雙極性轉換開關陣列，每個電子開關上并聯寄生二極管。該裝置中的儲能電容為負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載電感續流產生一次充電，對負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，能量不足以滿足負載電流快速上升的需求。
[0007]再如，專利申請號為201110310177.8，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K連接穩壓嵌位電路、雙極性電流脈沖發生器和大地負載的正極連接，可控直流電源的負極通過雙極性電流脈沖發生器與大地負載的負極連接，嵌位電壓源與可控直流電源的正極連接，可控直流電源的負極與嵌位電壓源連接，穩壓嵌位電路與嵌位電壓源連接，穩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生器連接構成。該裝置的輸出直接與大地連接，大地屬于阻性負載，這類負載的暫態過程本來很短，不適用于大感性負載的情況。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，但該電路結構中鉗位電壓源工作的前提是，鉗位電壓低于負載電流關斷時負載電感上產生的反電勢，因此對負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，專利申請號為200810069272.1，專利名稱為“感性負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、交流方波電流發生器、交流方波電流控制電路、感性負載、能量補充電路、滯環控制電路、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的動作滯后，負載電感和兩個恒流電感構成的復合支路在換向之初和結束時均發生較大的改變，導致換向前后負載電流發生了大幅振蕩，振蕩幅度接近負載電流幅值，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通回路中，并聯的恒流電感與負載電感分流，串聯的恒流電感與負載電感分流，其本身的電阻特性導致大量的功率損失，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，且負載改變時兩個恒流電感也需要調整，使該裝置使用不方便。
[0009]綜上所述，對于大感性負載，現有技術中能夠實現負載電流下降速度較快，上升沿初期也能加速，但對大感性負載電流上升存在很長的指數曲線達到平臺電流的過程沒有一種有效的處理手段。感性負載電流指數上升遲延成為電學中難以處理的技術問題。
[0010]本專利申請中所稱的大感性負載是指電感量較大的電感線圈或電磁鐵。
【發明內容】
[0011]針對現有技術中的感性負載電流指數上升遲延這一技術難題，本發明所要解決的技術問題就是提供一種感性負載的雙極性陡脈沖電流源及電流控制方法，能預先為感性負載電流上升補充儲能，縮短電流指數上升遲延時間，使感性負載獲得的脈沖電流波形接近理想的階躍方波，實現電流方波跳沿陡度提升，在上升沿產生強磁場，且能大幅提高電流波形的頻率。
[0012]本發明所要解決的技術問題是通過這樣的技術方案實現的，它包括有直流電源電路、全橋逆變電路和驅動脈沖發生器，全橋逆變電路為第一至四全控半導體開關S1、S2、S3、S4組成全橋結構，每個全控半導體開關并聯相應的續流二極管Dl、D2、D3、D4 ;全橋逆變電路的交流輸出側連接感性負載兩端，全橋逆變電路的直流側與儲能電容C并聯后連接在直流電源電路兩端，直流電源電路由直流電源Us經電源開關K和第一單向導通二極管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K后端為起點，由第六全控半導體開關S6、儲能電感Lb、限流電阻Rb串聯，經第二單向導通二極管D6連接在儲能電容C的正極，第五全控半導體開關S5為通斷控制元件，它連接在第二單向導通二極管D6正極與直流電源Us負極之間；驅動脈沖發生器輸入端連接有測量感性負載電流的電流傳感器、輸出端控制第一至六全控半導體開關 S1、S2、S3、S4、S5、S6。
[0013]本發明在現有全橋逆變電路與儲能電容C組合實現感性負載能量泄放和電流上升初期加速的基礎上，再新增上升沿陡度提升電路，該電路由第六全控半導體開關S6、儲能電感Lb、限流電阻Rb、第二單向導通二極管D6和第五全控半導體開關S5構成。
[0014]在感性負載電流紅下降為O和保持為O的時段，第六全控半導體開關S6閉合，當第五全控半導體開關S5閉合時，電流經儲能電感Lb、限流電阻Rb和第五全控半導體開關S5回到直流電源Us負極，儲能電感Lb儲能；在第五全控半導體開關S5斷開時，儲能電感Lb右側獲得感應電動勢正極，Lb感應電流從D6流出，經儲能電容C，再經直流電源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；當第五全控半導體開關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的電壓達到預設值。在全橋逆變電路反向導通時，高電壓的儲能電容C向感性負載放電，其放電電流速度高于感性負載電流指數上升的速度，所以上升沿陡度提升電路通過儲能電容C改變了感性負載電流指數上升的過程，縮短了電流指數上升遲延時間。
[0015]由于采用了上述技術方案，本發明具有如下的優點:通過對儲能電容C補充儲能，改變了感性負載電流指數上升的過程，為電學領域中長期存在的感性負載的電流上升指數曲線問題尋找到了一種有效的處理方法，縮短了電流指數上升遲延時間，使感性負載獲得的脈沖電流波形接近理想的階躍方波，實現電流方波跳沿陡度提升。
【附圖說明】
[0016]本發明的【附圖說明】如下:
圖1為本發明的結構框圖；
圖2為本發明的原理電路圖；
圖3為雙極性脈沖負載電流波形對比圖；
其中:(a)為雙極性脈沖負載電流的理想波形；
(b)為無任何邊沿提升措施的雙極性脈沖感性負載電流波形；
(C)為在直流側設置了儲能電容的雙極性脈沖感性負載電流波形；
Cd)為本發明的雙極性脈沖感性負載電流波形；
圖4為本發明的工作時序圖；
圖5為本發明的實驗檢測波形圖；
圖6為圖5的A區的局部放大圖；
圖7為雙極性陡脈沖感性負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.驅動脈沖發生器；4.感性負載；5.上升沿陡度提升電路。
【具體實施方式】
[0018]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明:
如圖1和圖2所示，本發明包括有直流電源電路1、全橋逆變電路2和驅動脈沖發生器3，全橋逆變電路I為第一至四全控半導體開關S1、S2、S3、S4組成全橋結構，每個全控半導體開關并聯相應的續流二極管Dl、D2、D3、D4 ;全橋逆變電路2的交流輸出側連接感性負載4兩端，全橋逆變電路2的直流側與儲能電容C并聯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經電源開關K和第一單向導通二極管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K后端為起點，由第六全控半導體開關S6、儲能電感Lb、限流電阻Rb串聯，經第二單向導通二極管D6連接在儲能電容C的正極，第五全控半導體開關S5為通斷控制元件，它連接在第