[发明专利]感性负载的双极性陡脉冲电流源及陡脉冲电流控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种感性负载的双极性电流源及脉冲电流控制方法，应用于地球物理探测、工业无损检测和医疗磁场发生器等领域。

背景技术

理想的方波电流前后沿呈阶跃变化。当负载为纯电阻负载时，负载电流几乎为理想的方波电流。方波电流发生装置可以产生正极性、负极性或双极性方波电流。双极性方波电流一般通过全桥电路来实现，四个桥臂采用全控型电力电子开关器件。

方波电流频带宽，是地球物理探测发射机、肿瘤治疗强磁场发生器、工业无损检测仪等领域采用的主要电流波形，其高陡度的电流上升沿和下降沿能够产生很强的磁场。为了利用上升沿和下降沿所获得的强磁场，方波电流发生装置的输出连接线圈或电磁铁等负载，而线圈或电磁铁负载为大感性负载，导致负载电流下降沿不能迅速关断，电流上升沿呈现很长的指数上升过程。大感性负载在实际使用中所带来问题有：

电流下降沿时，负载电流不能迅速关断，即关断延时的存在，导致负载激起的磁场减弱，用于地球物理瞬变电磁发射时负载电流产生的一次场和地下涡流产生的二磁场混叠起来，使接收数据处理困难，导致地下目标识别错误。

大感性负载的时间常数大，上升沿的指数上升过程，引起严重的波形畸变，上升沿变缓存在的问题：1、达到稳定的平台电流需要很长时间，限制方波电流频率的提高；2、在工作频率确定的情况下，负载电流上升沿过长，不得不缩短稳态电流持续时间，导致不能在探测空间中建立稳定的磁场，而且上升沿产生的磁场也容易与下降沿产生的磁场叠加，影响探测效果；3、由于上升沿的缓变，产生的磁场很弱，上升沿引起的响应无法利用，使探测效率大大降低，也无法结合上升沿和下降沿激起的响应来抵消误差数据。

为了消除大感性负载对电流方波跳沿的影响，现有技术中有的为大感性负载增加能量泄放电路以加速负载电流关断；有的增加储能电容储存下降沿的能量并在上升沿时回馈给负载；有的实施负载电压钳位。这些技术手段仅对电流下降沿改善起到了明显的作用，但对电流上升沿的改善则收效甚微。

例如，专利申请号为200710093089.0，专利名称为“双极性陡磁场脉冲振荡磁场下磁性微球载体的靶向控释系统”，提出了一种双极性陡脉冲振荡磁场装置，它包括直流电源、控制器、电子开关驱动电路、主电路和电磁铁，其中主电路包括续流阻断二极管，全桥电路和储能电容，全桥电路为四个电子开关组成的全桥结构的双极性转换开关阵列，每个电子开关上并联寄生二极管。该装置中的储能电容为负载电感提供能量泄放，对电流下降沿起到了加速作用，但储能电容能量仅由负载电感续流产生一次充电，对负载电流上升沿加速有一定的作用，但储能电容的作用受到一次充电的限制，能量不足以满足负载电流快速上升的需求。

再如，专利申请号为201110310177.8，专利名称为“电流脉冲上升沿和下降沿加速装置及加速方法”，该装置由可控直流电源的正极通过开关K连接稳压嵌位电路、双极性电流脉冲发生器和大地负载的正极连接，可控直流电源的负极通过双极性电流脉冲发生器与大地负载的负极连接，嵌位电压源与可控直流电源的正极连接，可控直流电源的负极与嵌位电压源连接，稳压嵌位电路与嵌位电压源连接，稳压控制电路与嵌位电压源连接，脉冲控制电路与双极性电流脉冲发生器连接构成。该装置的输出直接与大地连接，大地属于阻性负载，这类负载的暂态过程本来很短，不适用于大感性负载的情况。该专利说明书中没有给出实施例的实验或仿真结果。实际上，该专利中钳位电压源可以提高上升沿的线性度，但该电路结构中钳位电压源工作的前提是，钳位电压低于负载电流关断时负载电感上产生的反电势，因此对负载电流上升速度并无改善作用，通过对该专利所给电路开展仿真分析也证实了这一点。