時間域大電流航空電磁發射裝置的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種時間域大電流航空電磁發射裝置，本發明的裝置包括控制模塊以及大功率主回路模塊，其中大功率主回路模塊包括LC諧振全橋逆變主回路以及恒功率充電主回路，LC諧振全橋逆變主回路包括電容以及發射線圈，控制模塊控制恒功率充電主回路為電容進行充電，充電完成后，電容為發射線圈提供電能，在發射線圈中產生發射電流，電容放電結束后，控制模塊控制發射線圈向電容反向充電，以回收利用發射線圈剩余的電能，發射線圈的電能釋放完全后由恒功率充電主回路繼續為電容充電，從而實現了節約剩余電能資源，減輕時間域大電流航空電磁發射裝置的重量，實現大磁矩發射的目的。
【專利說明】
時間域大電流航空電磁發射裝置
技術領域
[0001] 本發明涉及航空探測領域，更具體涉及一種時間域大電流航空電磁發射裝置。
【背景技術】
[0002] 時間域航空電磁勘探系統(ATEM)是航空物探方法之一。ATEM的搭載在飛機平臺上 的瞬變電磁勘探系統，通過飛行作業，實現對地下資源的快速探測與識別，具有低成本、速 度快、通行性好的特點，可用于地形復雜、地表被植被、沙漠等覆蓋區的靶區的資源快速評 價，并可進行大面積的資源普查。時間域航空電磁勘探系統由于使用不接地供電方式（線 圈），可以通過直接增大發射磁矩增加勘探深度，提高數據質量。時間域航空電磁勘探系統 通過在發射線圈中通以時變的電流，向地下發送瞬變磁場(一次場），激發地下良導體感生 渦旋電流（二次感應電流），在電流關斷期間（off-time)產生衰變的二次場（二次感應電 壓），通過接收線圈以及數據采集記錄各分量全波感應電壓。由于接收到的二次場受地下介 質的電磁特征影響，因此對感應電壓進行分析研究即可得到地下介質的介電常數、電導率 和磁導率等重要參數，從而能夠根據得到的參數確定地下礦體的空間分布和形態特征。
[0003] 為了增加系統的探測深度，需要提高時間域航空電磁勘探系統的電磁發射機的發 射磁矩，為了實現大的發射磁矩，需要提高發射電流、增大發射功率實現大的發射磁矩。為 此，提供上千安培的發射電流是航空電磁發射領域的一個關鍵技術。但是，隨著電磁發射機 的發射磁矩的增大，即功率的增大，整個時間域航空電磁勘探系統的發射系統的重量和體 積也在不斷增加，受搭載發射系統的飛行平臺的有效載荷限制，最大限度的提高設備利用 率，在保證發射磁矩的前提下降低設備的重量是航空電磁發射機的一個目前需要解決的技 術問題。
[0004] 時間域航空電磁發射波形雖然各有不同，但發射波形均為斷續模式，即發射機發 射一個波形，暫停一段時間，然后再發射，依次循環，周期性發射。當發射機輸出波形時，發 射機輸出電流到發射線圈，對外輸出能量，當發射機不輸出波形，即接收機接收二次場信號 的時段，發射機不輸出電流，對外不輸出能量。按照上述發射模式，發射機間隔輸出較高功 率，如果直接利用電源提供的電能進行輸出，存在設備利用不充分的問題。發射天線一般采 用導線繞制線圈，其對外的電氣特性等效為電感，對感性負載發射脈沖電流，存在剩余能量 回收的問題。

【發明內容】

[0005] 本發明要解決的技術問題是如何最大程度的提高發射裝置的利用率，在同等重量 和體積下提供更大的發射磁矩。
[0006] 為了解決上述技術問題，本發明提供了一種時間域大電流航空電磁發射裝置，所 述裝置包括控制模塊以及大功率主回路模塊;所述大功率主回路模塊包括LC諧振全橋逆變 主回路、恒功率充電主回路、信號檢測電路以及驅動電路;所述LC諧振全橋逆變主回路包括 第一電容以及發射線圈，所述第一電容與所述發射線圈連接；
[0007] 所述檢測電路與所述恒功率充電主回路以及所述控制模塊連接，所述控制模塊與 所述驅動電路連接，所述驅動電路與所述LC諧振全橋逆變主回路以及所述恒功率充電主回 路連接，所述恒功率充電主回路與所述LC諧振全橋逆變主回路連接;所述檢測電路檢測所 述恒功率充電主回路的母線電壓，并傳遞給所述控制模塊，由所述控制模塊根據所述恒功 率充電主回路的母線電壓確定是否生成停止充電命令，若所述控制模塊生成所述停止充電 命令，則所述控制模塊將所述停止充電命令發送給所述驅動電路，由所述驅動電路控制所 述恒功率充電主回路停止向所述LC諧振全橋逆變主回路的第一電容充電；其中所述恒功率 充電主回路的母線電壓與所述第一電容兩端的電壓相等;所述第一電容充電完成后，其為 所述發射線圈提供電能，由所述發射線圈發射電流；
[0008] 所述檢測電路與所述LC諧振全橋逆變主回路連接，所述檢測電路檢測所述發射線 圈中的發射電流，并發送給所述控制模塊，所述控制模塊根據恒功率充電主回路的母線電 壓以及射線圈兩端的電流確定是否生成反向充電命令，若所述控制模塊生成所述反向充電 命令，則所述控制模塊將所述反向充電命令發送給所述驅動電路，由所述驅動電路控制所 述發射線圈向所述第一電容進行充電。
[0009] 優選地，所述控制模塊包括第一命令生成子模塊，所說第一命令生成子模塊判斷 所述恒功率充電主回路的母線電壓是否大于或等于預設值，若是，則生成所述停止充電命 令。
[0010] 優選地，所述控制模塊包括第二命令生成子模塊，所述第二命令生成子模塊判斷 所述恒功率充電主回路的母線電壓是否為零并且所述發射線圈中的發射電流是否達到峰 值，若是，則所述第二命令生成子模塊生成所述反向充電命令。
[0011] 優選地，所述控制模塊還包括第三命令生成子模塊，所述第三命令生成子模塊判 斷所述發射線圈兩端的電流是否為零，若是，則所述第三命令生成子模塊生成開始充電命 令并傳遞給所述驅動電路，由驅動電路控制所述恒功率充電主回路開始向所述LC諧振全橋 逆變主回路的第一電容充電。
[0012] 優選地，所述控制模塊還包括第四命令生成子模塊以及第五命令生成模塊;所述 第一電容充電完成后，所述控制模塊根據所述第一電容充電前所述發射線圈發射的電流的 波形的電極性，由第四命令生成子模塊或第五命令生成模塊生成正極性正弦波命令或負極 性正弦波命令給所述驅動電路，由驅動電路控制控制所述發射線圈發射正極性正弦波或負 極性正弦波;其中在當前驅動電路控制下發射的電流波形的電極性與所述第一電容充電前 所述發射線圈發射的電流的波形的電極性相反。
[0013] 優選地，所述LC諧振全橋逆變主回路還包括第一 IGBT、第二IGBT、第三IGBT、第四 IGBT、第五IGBT、第六IGBT、第一二極管、第二二極管、第三二極管、第四二極管、第五二極 管、第六二極管以及電阻；
[0014]所述第一二極管的正極連接所述第一 IGBT的發射極，所述第一二極管的負極連接 所述第一 IGBT的集電極;所述第二二極管的正極連接所述第二IGBT的發射極，所述第二二 極管的負極連接所述第二IGBT的集電極;所述第三二極管的正極連接所述第三IGBT的發射 極，所述第三二極管的負極連接所述第三IGBT的集電極;所述第四二極管的正極連接所述 第四IGBT的發射極，所述第四二極管的負極連接所述第四IGBT的集電極;所述第五二極管 的正極連接所述第五IGBT的發射極，所述第五二極管的負極連接所述第五IGBT的集電極； 所述第六二極管的正極連接所述第六IGBT的發射極，所述第六二極管的負極連接所述第六 IGBT的集電極；
[0015]所述第五IGBT的集電極連接所述恒功率充電主回路，所述第五IGBT的發射極連接 所述第一電容的一端以及所述第六IGBT的集電極，所述第一電容的另一端連接所述恒功率 充電主回路;所述第六IGBT的發射極連接所述第一 IGBT的集電極以及第三IGBT的集電極， 所述第一 IGBT的發射極連接所述發射線圈的一端以及所述第二IGBT的集電極，所述第二 IGBT的發射極連接所述第一電容的另一端;所述發射線圈的另一端連接所述電阻的一端， 所述電阻的另一端連接所述第三IGBT的發射極以及第四IGBT的集電極;所述第四IGBT的發 射極連接所述第一電容的另一端。
[0016] 優選地，所述恒功率充電主回路包括電源、高頻逆變電路、高頻變壓器以及高頻整 流電路;所述高頻變壓器包括正邊繞組以及若干個副邊繞組；
[0017] 所述電源與所述高頻逆變電路連接，所述高頻逆變電路將所述電源的直流電源轉 換為高頻交流電；
[0018] 所述正邊繞組與所述高頻逆變電路連接，所述高頻整流電路與所述副邊繞組連 接，所述高頻變壓器將所述高頻交流電升壓到預定電壓值，所述高頻整流電路將若干個副 邊繞組的輸出進行整流后串聯在一起。
[0019] 優選地，所述高頻逆變電路包括第七IGBT、第八IGBT、第九IGBT、第十IGBT、第七二 極管、第八二極管、第九二極管、第十二極管、第二電容、第三電容、第四電容、第五電容以及 第六電容；
[0020] 所述第七IGBT的集電極與所述第七二極管的負極、第三電容的一端、所述第八 IGBT的集電極、第八二極管的負極以及第四電容的一端連接；
[0021]所述第七IGBT的發射極與所述第九IGBT的集電極、第七二極管的正極、第三電容 的另一端、第九二極管的負極、第五電容的一端以及所述正邊繞組的一端連接;所述正邊繞 組的另一端與所述第二電容的一端連接；
[0022]所述第八IGBT的發射極與所述第十IGBT的集電極、所述第八二極管的正極、所述 第四電容的另一端、所述第十二極管的負極、第六電容的一端以及所述第二電容的另一端 連接；
[0023]所述第九IGBT的發射極與所述第九二極管的正極、第五電容的另一端、第十IGBT 的發射極、第十二極管的正極以及第六電容的另一端連接。
[0024] 優選地，所述高頻整流電路包括若干個整流單元以及一個電感，各個所述整流單 元串聯連接；
[0025] 每個所述整流單元均均包括四個二極管，其中每兩個二極管串聯形成兩個支路， 并且所述兩個支路并聯連接形成整流單元，每個所述副邊繞組分別與一個所述整流單元連 接，并且所述副邊繞組的兩端分別連接在對應的整流單元的兩個支路的兩個二極管串聯連 接的部位；
[0026] 所述電感的一端連接一個所述整流單元的二極管的負極，所述電感的另一端連接 所述第一電容的一端。
[0027] 優選地，所述控制模塊包括恒功率充電控制子模塊;所述檢測電路檢測還檢測所 述恒功率充電主回路的電流；
[0028] 所述恒功率充電控制子模塊根據所述檢測電路檢測得到的恒功率充電主回路的 母線電壓和電流計算得到所述恒功率充電主回路的輸出功率，并根據所述恒功率充電主回 路的輸出功率與預定功率的差值生成相應脈沖寬度的控制信號，并利用所述控制信號控制 所述第七IGBT、第八IGBT、第九IGBT以及第十IGBT的導通與關斷，實現所述恒功率充電主回 路的恒功率輸出。
[0029] 本發明提供了一種時間域大電流航空電磁發射裝置，本發明的裝置包括控制模塊 以及大功率主回路模塊，其中大功率主回路模塊包括LC諧振全橋逆變主回路以及恒功率充 電主回路，LC諧振全橋逆變主回路包括電容以及發射線圈，控制模塊控制控制恒功率充電 主回路為電容進行充電，充電完成后，電容為發射線圈提供電能，在發射線圈中產生發射電 流，電容放電結束后，控制模塊控制發射線圈向電容反向充電，以回收利用發射線圈剩余的 電能，發射線圈的電能釋放完全后由恒功率充電主回路繼續為電容充電，從而實現了節約 剩余電能資源，減輕時間域大電流航空電磁發射裝置的重量，實現大磁矩發射的目的。同時 本發明還實現了雙極性半正弦波電磁發射，利用LC諧振原理產生正弦波形，通過全橋逆變 技術實現波形的分段控制，實現波形產生與能量回收的功能。利用恒功率控制技術，為諧振 電容補充能量，使電源的利用率達到最優，減小發射系統的重量和體積，保證整個航空電磁 發射裝置的重量不超過可以承受的范圍的同時，最大程度的增大發射磁矩。
【附圖說明】
[0030] 為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現 有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本 發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以 根據這些附圖獲得其他的附圖。
[0031] 圖1是本發明的一個較佳實例的時間域大電流航空電磁發射裝置的結構示意圖；
[0032] 圖2是本發明的大功率主回路模塊中LC諧振全橋逆變主回路與恒功率充電主回路 的連接示意圖；
[0033] 圖3是本發明的LC諧振全橋逆變主回路的電路圖；
[0034]圖4是本發明的恒功率充電主回路的電路圖；
[0035]圖5A、5B、5C是本發明中25HZ、75HZ、125HZ的雙極性正弦波的波形示意圖；
[0036] 圖6是現有技術中帶限流電阻的高壓直流電源的電路圖；
[0037] 圖7是現有技術中諧振充電電源的電路圖；
[0038] 圖8是現有技術中高頻變換器充電電源的電路圖；
[0039]圖9A、9B是本發明中在25HZ波形下的充電示意圖；
[0040]圖10A、10B是本發明中在75HZ波形下的充電示意圖；
[00411圖11A、11B是本發明中在125HZ波形下的充電示意圖；
[0042] 圖12是本發明中恒功率充電主回路的恒功率控制示意圖。
【具體實施方式】
[0043] 下面結合附圖和實施例對本發明作進一步詳細描述。以下實施例用于說明本發 明，但不能用來限制本發明的范圍。
[0044] -種時間域大電流航空電磁發射裝置，如圖1所示，所述裝置包括控制模塊以及大 功率主回路模塊;所述大功率主回路模塊包括LC諧振全橋逆變主回路、恒功率充電主回路、 信號檢測電路以及驅動電路;所述LC諧振全橋逆變主回路包括第一電容以及發射線圈，所 述第一電容與所述發射線圈連接。
[0045] 如圖1所示，所述檢測電路與所述恒功率充電主回路以及所述控制模塊連接，所述 控制模塊與所述驅動電路連接，所述驅動電路與所述LC諧振全橋逆變主回路以及所述恒功 率充電主回路連接，所述恒功率充電主回路與所述LC諧振全橋逆變主回路連接;所述檢測 電路檢測所述恒功率充電主回路的母線電壓，并傳遞給所述控制模塊，由所述控制模塊根 據所述恒功率充電主回路的母線電壓確定是否生成停止充電命令，若所述控制模塊生成所 述停止充電命令，則所述控制模塊將所述停止充電命令發送給所述驅動電路，由所述驅動 電路控制所述恒功率充電主回路停止向所述LC諧振全橋逆變主回路的第一電容充電；其中 所述恒功率充電主回路的母線電壓與所述第一電容兩端的電壓相等;所述第一電容充電完 成后，其為所述發射線圈提供電能，在所述發射線圈中產生發射電流。
[0046] 所述檢測電路與所述LC諧振全橋逆變主回路連接，所述檢測電路檢測所述發射線 圈中的發射電流，并發送給所述控制模塊，所述控制模塊根據恒功率充電主回路的母線電 壓以及射線圈中的發射電流確定是否生成反向充電命令，若所述控制模塊生成所述反向充 電命令，則所述控制模塊將所述反向充電命令發送給所述驅動電路，由所述驅動電路控制 所述發射線圈向所述第一電容進行充電。
[0047] 其中，所述控制模塊包括第一命令生成子模塊，所說第一命令生成子模塊判斷所 述恒功率充電主回路的母線電壓是否大于或等于預設值，若是，則生成所述停止充電命令。
[0048] 所述控制模塊包括第二命令生成子模塊，所述第二命令生成子模塊判斷所述恒功 率充電主回路的母線電壓是否為零并且所述發射線圈中的發射電流是否達到峰值，若是， 則所述第二命令生成子模塊生成所述反向充電命令。
[0049]所述控制模塊還包括第三命令生成子模塊，所述第三命令生成子模塊判斷所述發 射線圈中的發射電流是否為零，若是，則所述第三命令生成子模塊生成開始充電命令并傳 遞給所述驅動電路，由驅動電路控制所述恒功率充電主回路開始向所述LC諧振全橋逆變主 回路的第一電容充電。
[0050]所述控制模塊還包括第四命令生成子模塊以及第五命令生成模塊;所述第一電容 充電完成后，所述控制模塊根據所述第一電容充電前所述發射線圈發射的電流的波形的電 極性，由第四命令生成子模塊或第五命令生成模塊生成正極性正弦波命令或負極性正弦波 命令給所述驅動電路，由驅動電路控制控制所述發射線圈發射正極性正弦波或負極性正弦 波;其中在當前驅動電路控制下發射的電流波形的電極性與所述第一電容充電前所述發射 線圈發射的電流的波形的電極性相反。
[0051]上述裝置能夠回收利用發射線圈剩余的電能，發射線圈的電能釋放完全后由恒功 率充電主回路繼續為電容充電，從而實現了節約剩余電能資源，減輕時間域大電流航空電 磁發射裝置的重量，實現大磁矩發射的目的。同時上述裝置還實現了雙極性半正弦波電磁 發射，利用LC諧振原理產生正弦波形，通過全橋逆變技術實現波形的分段控制，實現波形產 生與能量回收的功能。利用恒功率控制技術，為諧振電容補充能量，使電源的利用率達到最 優，減小發射系統的重量和體積，保證整個航空電磁發射裝置的重量不超過可以承受的范 圍的同時，最大程度的增大發射磁矩。
[0052]進一步地，如圖1所示，大功率主回路模塊還包括發電機，發電機與恒功率充電主 回路一級信號檢測電路連接;信號檢測電路檢測發電機的電壓，并傳遞給控制模塊。控制模 塊根據發電機的電壓判斷是否超壓，若超壓就發出警報或停止發電機發電。
[0053]進一步地，如圖1所示，控制模塊包括DSP控制單元，上述控制模塊的控制操作均由 DSP控制單元完成。控制模塊還包括同步電路以及遠程控制接口；時間域大電流航空電磁發 射裝置還包括操作接口模塊，操作接口模塊包括外部同步子模塊、GPRS子模塊、系統控制命 令子模塊、配置信息配置子模塊以及裝置狀態輸出子模塊。操作接口模塊對外提供控制和 信息輸出接口，通過操作接口模塊可實現發射波形的外部同步、遠程操作、遠程狀態監控等 功能。DSP控制單元采用的是TI公司生產的TMS320F28335。大功率主回路模塊將飛機機載電 源或發電機提供的電能變換為所需的發射波形輸出到發射天線中。
[0054] 進一步地，如圖3所示，所述LC諧振全橋逆變主回路還包括第一IGBT S1、第二IGBT S2、第三IGBT S3、第四IGBT S4、第五IGBT S5、第六IGBT S6、第一二極管D1、第二二極管D2、 第三二極管D3、第四二極管D4、第五二極管D5、第六二極管D6以及電阻R。
[0055]所述第一二極管D1的正極連接所述第一IGBT S1的發射極，所述第一二極管D1的 負極連接所述第一IGBT S1的集電極;所述第二二極管D2的正極連接所述第二IGBT S2的發 射極，所述第二二極管D2的負極連接所述第二IGBT S2的集電極;所述第三二極管D3的正極 連接所述第三IGBT S3的發射極，所述第三二極管D3的負極連接所述第三IGBT S3的集電 極;所述第四二極管D4的正極連接所述第四IGBT S4的發射極，所述第四二極管D4的負極連 接所述第四IGBT S4的集電極;所述第五二極管D5的正極連接所述第五IGBT S5的發射極， 所述第五二極管D5的負極連接所述第五IGBT S5的集電極;所述第六二極管D6的正極連接 所述第六IGBT S6的發射極，所述第六二極管D6的負極連接所述第六IGBT S6的集電極。 [0056]所述第五IGBT S5的集電極連接所述恒功率充電主回路，即連接恒功率充電主回 路的電流輸入端，恒功率充電主回路的充電電壓為Udc，所述第五IGBT S5的發射極連接所述 第一電容C1的一端以及所述第六IGBT S6的集電極，所述第一電容C1的另一端連接所述恒 功率充電主回路;所述第六IGBT S6的發射極連接所述第一IGBT S1的集電極以及第三IGBT S3的集電極，所述第一IGBT S1的發射極連接所述發射線圈L的一端以及所述第二IGBT S2 的集電極，所述第二IGBT S2的發射極連接所述第一電容Cl的另一端;所述發射線圈L的另 一端連接所述電阻R的一端，所述電阻R的另一端連接所述第三IGBT S3的發射極以及第四 IGBT S4的集電極;所述第四IGBT S4的發射極連接所述第一電容C1的另一端。
[0057] LC諧振全橋逆變主回路由諧振電容組(如圖2所示）、逆變橋（由S1、S2、S3、S4、D1、 D2、D3、D4組成）、發射天線(包括L、R)以及直流電源部分組成。31、32、33、34、35、36為大功率 IGBT模塊，每個IGBT模塊攜帶一個反并聯二極管。S1-S4組成全橋電路，S5、S6分別控制諧振 回路與能量補充回路的導通與關斷。諧振電容與發射線圈構成LC諧振，通過控制開關可改 變接入電路中的電容容量，進而改變輸出頻率。四個IGBT構成逆變橋，逆變橋與諧振電容之 間通過一個IGBT，即S6連接，控制模塊通過組合不同的開關模態實現波形的分段控制。 [0058] DSP控制單元產生的邏輯控制信號可以有效控制IGBT的導通與截止。當S5導通、S6 關斷時，直流電源為諧振電容充電；當S5關閉、S6導通時，諧振電容通過H橋與發射線圈構成 諧振回路。當S1、S4導通時，負載電流為正，當S2、S3導通時，負載電流為負，得到正負交替的 雙極性波形。
[0059] 具體地，LC諧振全橋逆變主回路工作原理為：
[0060] 1、開關S5導通、S6關閉，電源正向供電，對諧振電容C1充電；
[0061] 2、開關S5截止，S6、S1、S4導通時，電源停供電，電容C1與發射線圈L和R構成諧振回 路，電容C1通過S6、S1、S4對線圈電感放電，在發射線圈中產生正極性正弦電流波形，電容C1 中的電場能轉換為發射線圈中的磁場能，電容電壓逐漸降低，回路電流按正弦曲線上升。 [0062] 3、當電容兩端電壓降為零，回路電流達到峰值時，關閉開關S6、S1、S4,則電感L中 剩余能量通過S3、S2、S6的反并聯二極管與電容C1構成回路，開始對C1進行充電，電感上的 電流逐漸減小，電容兩端電壓逐漸增加；
[0063] 4、線圈L中的電流降低為零，發射線圈保持斷開狀態。由于諧振回路內阻以及電磁 場發射損耗的存在，諧振后需要為諧振電容C1補充能量，此時打開充電開關S5,直流電源將 電容兩端電壓提升到諧振所需電壓；
[0064] 6、諧振電容充電完成時，完成一個正極性正弦波的發射周期。此時重復上面步驟 中的1-4,將全橋發射電路中的導通開關由SI、S4改為S2、S3，則發射一個負極性正弦波電 流，完成負極性正弦波發射。
[0065] 7、至此，一個完整的脈沖發射周期完成。
[0066] 每個發射周期內，諧振電容與電感(發射天線）交換一次能量，即，諧振開始前，電 容已經完成能量補充，電壓為預設的電壓，通過控制組合IGBT的開關狀態，控制諧振電容與 電感發射諧振。首先，電容將能量轉移到電感中，當電容中的能量全部轉移到電感中時，此 時斷開諧振回路，電感中的能量通過IGBT的反并聯二極管向電容充電，能量被收集回諧振 電容中。基于IGBT的全橋逆變發射回路實現了發射電流波形正負極性的交替，同時實現發 射線圈中剩余能量的回收，提高裝置的效率和功率密度。由于諧振回路以及發射天線中存 在直流電阻，諧振過程中存在一定的能量損失，因此需要利用恒功率充電主回路進行能量 補充。
[0067] 圖2是本發明的大功率主回路模塊中LC諧振全橋逆變主回路與恒功率充電主回路 的連接示意圖，從圖中可以看出：第一電容可以設置為多個，例如設置為3個，每個電容均配 置一個開關進行控制。
[0068] 時間域大電流航空電磁發射裝置通過將發射電流注入發射線圈，通過線圈感應出 瞬變電磁場，理想的發射波形為方波波形，包含的頻率信號豐富。然而，發射線圈為感性負 載，電感的物理性質決定了流過電感中的電流無法突破，與方波相比，采用正選波形更容易 實現幾百安培甚至上千安培的大電流，從而實現大發射磁矩以及大探測深度。
[0069]本發明的裝置的發射波形為雙極性半正弦波，圖5A、5B、5C給出了發射基頻分別為 25Hz、75Hz、125Hz時的發射波形示意。
[0070] 基頻25Hz，半波脈寬l/2/25 = 20ms = 4ms半正弦+16ms斷電；
[0071] 基頻75Hz，半波脈寬1/2/75 = 6.667ms = 2ms半正弦+4.6667斷電，不要梯形波； [0072] 基頻125Hz，半波脈寬1/2/125 = 4ms = lms半正弦+3ms斷電，不要梯形波。
[0073]由于諧振回路以及發射天線中存在直流電阻，諧振過程中存在一定的能量損失， 每個周期諧振完成后電容中儲存的能量比諧振前減少了一部分，恒功率充電主回路的作用 就是在不發射波形的時間段內，將電容減少的能量補充上，為下一個周期的諧振做準備。目 前電容器充電電源可以大致分為以下三類：1、帶限流電阻的高壓直流電源，如圖6所示;2、 諧振充電電源，如圖7所示，交流輸入電源利用變壓器升壓，經過整流、濾波后產生高壓直流 電U0開關T1觸發后電流流經電感LL和二極管DD1，向CC1傳遞能量。3、高頻變換器充電電源， 如圖8所示。結合上述現有技術的優點和航空電磁發射機的技術特點提出以下恒功率充電 主回路的方案：
[0074]所述恒功率充電主回路包括電源、高頻逆變電路、高頻變壓器以及高頻整流電路； 所述高頻變壓器包括正邊繞組以及若干個副邊繞組。所述電源與所述高頻逆變電路連接， 所述高頻逆變電路將所述電源的直流電源轉換為高頻交流電;所述正邊繞組與所述高頻逆 變電路連接，所述高頻整流電路與所述副邊繞組連接，所述高頻變壓器將所述高頻交流電 升壓到預定電壓值，所述高頻整流電路將若干個副邊繞組的輸出進行整流后串聯在一起。 [0075] 如圖4所示，所述高頻逆變電路包括第七IGBT S7、第八IGBT S8、第九IGBT S9、第 十IGBT S10、第七二極管D7、第八二極管D8、第九二極管D9、第十二極管D10、第二電容C2、第 三電容C3、第四電容C4、第五電容C5以及第六電容C6;
[0076]所述第七IGBT S7的集電極與所述第七二極管D7的負極、第三電容C3的一端、所述 第八IGBT S8的集電極、第八二極管D8的負極以及第四電容C4的一端連接；
[0077]所述第七IGBT S7的發射極與所述第九IGBT S9的集電極、第七二極管D7的正極、 第三電容C3的另一端、第九二極管D9的負極、第五電容C5的一端以及所述正邊繞組的一端 連接;所述正邊繞組的另一端與所述第二電容C2的一端連接；
[0078]所述第八IGBT S8的發射極與所述第十IGBT S10的集電極、所述第八二極管D8的 正極、所述第四電容C4的另一端、所述第十二極管D10的負極、第六電容C6的一端以及所述 第二電容C2的另一端連接；
[0079]所述第九IGBT S9的發射極與所述第九二極管D9的正極、第五電容C5的另一端、第 十IGBT S10的發射極、第十二極管D10的正極以及第六電容C6的另一端連接。
[0080] 如圖4所示，所述高頻整流電路包括若干個整流單元以及一個電感L1，各個所述整 流單元串聯連接;每個所述整流單元均均包括四個二極管，其中每兩個二極管串聯形成兩 個支路，并且所述兩個支路并聯連接形成整流單元，每個所述副邊繞組分別與一個所述整 流單元連接，并且所述副邊繞組的兩端分別連接在對應的整流單元的兩個支路的兩個二極 管串聯連接的部位;所述電感的一端連接一個所述整流單元的二極管的負極，所述電感的 另一端連接所述第一電容的一端。
[0081] 恒功率充電主回路的輸入電源可以是飛行平臺的機載電源，也可以是攜帶的三相 發電機組，交流電經過整流濾波電路轉換為直流電，如果機載電源提供的是直流電，則可以 省掉整流電路。直接電源經由高頻逆變電路轉換為高頻交流電，通過高頻變壓器升壓到所 需的電壓后，再經由高頻整流電路轉換為所需的直流電。其中高頻逆變電路采用的是由4個 IGBT組成的全橋逆變電路，為輸出較高的電壓，變壓器副邊根據輸出電壓的需要設計為多 個副邊繞組，輸出整流后串聯在一起，實現高壓輸出。DSP控制單元通過調節4個IGBT的導通 與關斷控制對電容器充電功率的控制。
[0082] 上述恒功率充電主回路的恒功率充電的計算具體如下：
[0083] 電容充電分兩種情況：1、開機發射前的第一次充電過程;2、發射過程中的能量補 充式充電。第一種情況，電容初始電壓為〇，對充電電源等效為短路情況。充電時間和充電效 率要求寬松。第二種情況，在發射過程中，電容與電感諧振過后，由于回路直流電阻的存在 以及線圈與大地的耦合感應等情況的存在，諧振過程中無可避免的存在損耗，諧振過后電 容電壓降低，在不發射的時間間隔內，充電器將電阻消耗的能量補充上。
[0084]計算公式：
[0086] pR(t) =u(t)*i (t) =Ri2(t)
[0087] 式中，PL(t)表示發射線圈的電感部分吸收的功率，PR(t)表示發射回路中電阻部分 的功率消耗， u(t)和i(t)分別表示對應器件上述的電壓和電流，發射線圈的電流由0達到峰 值過程中的能量由電容器提供，這一部分能量轉化為電感存儲的能量和回路電阻發熱消耗 的能量。
[0088] 諧振起始時刻電容需要儲存的能量和電壓：
[0091]電流達到峰值時刻，電容中兩端電壓為0,電容中能量全部用完。電感作為能量源， 給電容充電，并且一部分能量損耗在回路電阻上。
[0092]諧振之后電容中剩余的能量：
[0095]按照圖5A、5B、5C所示發射電流波形，發射峰值電流1200A，發射天線電感550uH，電 阻23mQ，下面數據表1給出了三種頻率下的計算結果：
[0096] 表 1
[0097]
[0098]電容器充電過程：
[0099]恒功率充電，充電功率為P(即電源輸出功率），則充電電壓方程為：
[0101]得到電容器的電壓u(t)的解析式：
[0103]電容器的電流的解析式：
[0105] 充電曲線如圖 9A、9B、10A、10B、11A、11B**。
[0106] 進一步地，所述控制模塊包括恒功率充電控制子模塊;所述檢測電路檢測還檢測 所述恒功率充電主回路的電流;所述恒功率充電控制子模塊根據所述檢測電路檢測得到的 恒功率充電主回路的母線電壓和電流計算得到所述恒功率充電主回路的輸出功率，并根據 所述恒功率充電主回路的輸出功率與預定功率的差值生成相應脈沖寬度的控制信號，并利 用所述控制信號控制所述第七IGBT、第八IGBT、第九IGBT以及第十IGBT的導通與關斷，實現 所述恒功率充電主回路的恒功率輸出。
[0107] 例如，高頻整流電路的輸出功率pQ(t)，輸出電壓Uci(t)，輸出電流i〇(t)，占空比D。 電源控制量為占空比D，直接決定輸出參數u。(t)，高頻整流電路的輸出功率p。(t)。
[0108] p〇(t) =u〇(t) X i〇(t)
[0109] 輸入控制目標為輸出功率Pc，即上述預定功率，該值通過前期理論計算得到。控制 誤差為
[0110] e(t) =Pc-p〇(t) =Pc-u〇(t) X i〇(t)
[0111] 根據控制誤差確定占空比，或者上述控制信號。
[0112] 圖12是本發明中恒功率充電主回路的恒功率控制示意圖，高頻整流電路輸出后的 電壓、電流信號采集后計算得到對應的恒功率充電主回路的實際輸出功率，將實際的輸出 功率與目標功率，即上述預定功率之間的差值作為控制變量;然后根據控制變量生成相應 的脈沖寬度的脈沖信號，即控制信號；最后采用該脈沖寬度的脈沖信號控制恒功率充電主 回路中的高頻逆變電路，以保證由能量補充部分輸出到諧振電容的充電功率在設計范圍 內，進而使得通過該能量補充部分向電容充電的電源輸出功率保持恒定，提高電源的使用 率，在滿足設計發射磁矩的情況下使得供電電源的容量最小，重量也最小。
[0113] 以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；盡管參照前述各實 施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解:其依然可以對前述各 實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特征進行等同替換;而 這些修改或者替換，并不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的范圍，其 均應涵蓋在本發明的權利要求和說明書的范圍當中。
【主權項】
1. 一種時間域大電流航空電磁發射裝置，其特征在于，所述裝置包括控制模塊以及大 功率主回路模塊;所述大功率主回路模塊包括LC諧振全橋逆變主回路、恒功率充電主回路、 信號檢測電路以及驅動電路;所述LC諧振全橋逆變主回路包括第一電容以及發射線圈，所 述第一電容與所述發射線圈連接； 所述檢測電路與所述恒功率充電主回路以及所述控制模塊連接，所述控制模塊與所述 驅動電路連接，所述驅動電路與所述LC諧振全橋逆變主回路以及所述恒功率充電主回路連 接，所述恒功率充電主回路與所述LC諧振全橋逆變主回路連接;所述檢測電路檢測所述恒 功率充電主回路的母線電壓，并傳遞給所述控制模塊，由所述控制模塊根據所述恒功率充 電主回路的母線電壓確定是否生成停止充電命令，若所述控制模塊生成所述停止充電命 令，則所述控制模塊將所述停止充電命令發送給所述驅動電路，由所述驅動電路控制所述 恒功率充電主回路停止向所述LC諧振全橋逆變主回路的第一電容充電；其中所述恒功率充 電主回路的母線電壓與所述第一電容兩端的電壓相等;所述第一電容充電完成后，其為所 述發射線圈提供電能，由所述發射線圈發射電流； 所述檢測電路與所述LC諧振全橋逆變主回路連接，所述檢測電路檢測所述發射線圈中 的發射電流，并發送給所述控制模塊，所述控制模塊根據恒功率充電主回路的母線電壓以 及射線圈兩端的電流確定是否生成反向充電命令，若所述控制模塊生成所述反向充電命 令，則所述控制模塊將所述反向充電命令發送給所述驅動電路，由所述驅動電路控制所述 發射線圈向所述第一電容進行充電。2. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述控制模塊包括第一命令生成子模塊， 所說第一命令生成子模塊判斷所述恒功率充電主回路的母線電壓是否大于或等于預設值， 若是，則生成所述停止充電命令。3. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述控制模塊包括第二命令生成子模塊， 所述第二命令生成子模塊判斷所述恒功率充電主回路的母線電壓是否為零并且所述發射 線圈兩端的電流是否達到峰值，若是，則所述第二命令生成子模塊生成所述反向充電命令。4. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述控制模塊還包括第三命令生成子模 塊，所述第三命令生成子模塊判斷所述發射線圈中的發射電流是否為零，若是，則所述第三 命令生成子模塊生成開始充電命令并傳遞給所述驅動電路，由驅動電路控制所述恒功率充 電主回路開始向所述LC諧振全橋逆變主回路的第一電容充電。5. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述控制模塊還包括第四命令生成子模塊 以及第五命令生成模塊;所述第一電容充電完成后，所述控制模塊根據所述第一電容充電 前所述發射線圈發射的電流的波形的電極性，由第四命令生成子模塊或第五命令生成模塊 生成正極性正弦波命令或負極性正弦波命令給所述驅動電路，由驅動電路控制控制所述發 射線圈發射正極性正弦波或負極性正弦波;其中在當前驅動電路控制下發射的電流波形的 電極性與所述第一電容充電前所述發射線圈發射的電流的波形的電極性相反。6. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述LC諧振全橋逆變主回路還包括第一 IGBT、第二IGBT、第三IGBT、第四IGBT、第五IGBT、第六IGBT、第一二極管、第二二極管、第三 二極管、第四二極管、第五二極管、第六二極管以及電阻； 所述第一二極管的正極連接所述第一 IGBT的發射極，所述第一二極管的負極連接所述 第一 IGBT的集電極;所述第二二極管的正極連接所述第二IGBT的發射極，所述第二二極管 的負極連接所述第二IGBT的集電極;所述第三二極管的正極連接所述第三IGBT的發射極， 所述第三二極管的負極連接所述第三IGBT的集電極;所述第四二極管的正極連接所述第四 IGBT的發射極，所述第四二極管的負極連接所述第四IGBT的集電極;所述第五二極管的正 極連接所述第五IGBT的發射極，所述第五二極管的負極連接所述第五IGBT的集電極;所述 第六二極管的正極連接所述第六IGBT的發射極，所述第六二極管的負極連接所述第六IGBT 的集電極； 所述第五IGBT的集電極連接所述恒功率充電主回路，所述第五IGBT的發射極連接所述 第一電容的一端以及所述第六IGBT的集電極，所述第一電容的另一端連接所述恒功率充電 主回路;所述第六IGBT的發射極連接所述第一 IGBT的集電極以及第三IGBT的集電極，所述 第一 IGBT的發射極連接所述發射線圈的一端以及所述第二IGBT的集電極，所述第二IGBT的 發射極連接所述第一電容的另一端;所述發射線圈的另一端連接所述電阻的一端，所述電 阻的另一端連接所述第三IGBT的發射極以及第四IGBT的集電極;所述第四IGBT的發射極連 接所述第一電容的另一端。7. 根據權利要求1所述的裝置，其特征在于，所述恒功率充電主回路包括電源、高頻逆 變電路、高頻變壓器以及高頻整流電路;所述高頻變壓器包括正邊繞組以及若干個副邊繞 組； 所述電源與所述高頻逆變電路連接，所述高頻逆變電路將所述電源的直流電源轉換為 高頻交流電； 所述正邊繞組與所述高頻逆變電路連接，所述高頻整流電路與所述副邊繞組連接，所 述高頻變壓器將所述高頻交流電升壓到預定電壓值，所述高頻整流電路將若干個副邊繞組 的輸出進行整流后串聯在一起。8. 根據權利要求7所述的裝置，其特征在于，所述高頻逆變電路包括第七IGBT、第八 IGBT、第九IGBT、第十IGBT、第七二極管、第八二極管、第九二極管、第十二極管、第二電容、 第三電容、第四電容、第五電容以及第六電容； 所述第七IGBT的集電極與所述第七二極管的負極、第三電容的一端、所述第八IGBT的 集電極、第八二極管的負極以及第四電容的一端連接； 所述第七IGBT的發射極與所述第九IGBT的集電極、第七二極管的正極、第三電容的另 一端、第九二極管的負極、第五電容的一端以及所述正邊繞組的一端連接;所述正邊繞組的 另一端與所述第二電容的一端連接； 所述第八IGBT的發射極與所述第十IGBT的集電極、所述第八二極管的正極、所述第四 電容的另一端、所述第十二極管的負極、第六電容的一端以及所述第二電容的另一端連接； 所述第九IGBT的發射極與所述第九二極管的正極、第五電容的另一端、第十IGBT的發 射極、第十二極管的正極以及第六電容的另一端連接。9. 根據權利要求8所述的裝置，其特征在于，所述高頻整流電路包括若干個整流單元以 及一個電感，各個所述整流單元串聯連接； 每個所述整流單元均均包括四個二極管，其中每兩個二極管串聯形成兩個支路，并且 所述兩個支路并聯連接形成整流單元，每個所述副邊繞組分別與一個所述整流單元連接， 并且所述副邊繞組的兩端分別連接在對應的整流單元的兩個支路的兩個二極管串聯連接 的部位； 所述電感的一端連接一個所述整流單元的二極管的負極，所述電感的另一端連接所述 第一電容的一端。10.根據權利要求9所述的裝置，其特征在于，所述控制模塊包括恒功率充電控制子模 塊;所述檢測電路檢測還檢測所述恒功率充電主回路的電流； 所述恒功率充電控制子模塊根據所述檢測電路檢測得到的恒功率充電主回路的母線 電壓和電流計算得到所述恒功率充電主回路的輸出功率，并根據所述恒功率充電主回路的 輸出功率與預定功率的差值生成相應脈沖寬度的控制信號，并利用所述控制信號控制所述 第七IGBT、第八IGBT、第九IGBT以及第十IGBT的導通與關斷，實現所述恒功率充電主回路的 恒功率輸出。
【文檔編號】H02M3/335GK106054261SQ201610532304
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年7月7日
【發明人】張鳴, 張一鳴, 郭兵, 李亮亮, 高星樂, 高俊俠
【申請人】北京工業大學