用于航空瞬变电磁发射机的大功率直流电源设计
刘磊+李军峰+刘俊杰+李文杰+吴珊
摘 要： 电磁发射机是瞬变电磁（TEM）探测系统的重要组成部分，在航空瞬变电磁法中，针对飞机电源供电能力不足的问题，基于Vicor电源模块串并联技术，设计一种大功率直流电源，与超级电容储能器一起，提高了电源的瞬时功率和供电电压，解决了飞机电源和发射机之间的功率和阻抗匹配问题。实际应用结果表明，该系统具有6.4 kW的平均功率，可以提供超过40 kW的瞬时功率，完全能夠满足设计要求。
关键词： 瞬变电磁发射机； 直流电源； Vicor电源模块； 瞬时功率
中图分类号： TN643+.1?34； TH763 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）18?0171?03
Design of high?power DC power supply for airborne transient electromagnetic transmitter
LIU Lei， LI Junfeng， LIU Junjie， LI Wenjie， WU Shan
（Institute of Geophysical and Geochemical Exploration， CAGS， Langfang 065000， China）
Abstract： Electromagnetic transmitter is an important component of transient electromagnetic （TEM） detection system. In order to improve power supply capacity of aircraft using aviation transient electromagnetic method， a high?power DC power supply was designed on the basis of series and parallel technologies of Vicor power supply module， which can raise the instantaneous power and power supply voltage of the power supply in combination with super capacitor energy storage device， and solve the problem of power and impedance matching between aircraft power supply and transmitter. The practical application results show that the system possesses the average power of 6.4 kW， and can provide instantaneous power above 40 kW， which is able to meet the design requirements.
Keywords： transient electromagnetic transmitter； DC power supply； Vicor power module； instantaneous power
固定翼时间域航空电磁法具有探测深度大、测量精度高的技术特点，是我国急需的快速高效的大深度矿产勘查装备技术。中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所在国家高技术研究发展计划支持下，经过多年的科研攻关，课题组在专用飞机改装设计、大磁矩发射、三分量宽带接收、实时全波形数据收录等核心、关键技术领域取得了突破性进展，研制成功了基于国产Y12IV型飞机，具有完全自主知识产权的固定翼时间域航空电磁系统空中样机[1?3]。为了匹配飞机电源和大功率发射机，需要研制由大功率稳压充电电源和大容量储能器构成的电源系统，为发射机提供满足要求的电压和功率。
Y12飞机只能提供5.6 kW的输出[4]，经过简单计算，要实现600 A峰值电流和50万A·m发射磁矩，飞机电源的瞬时供电能力至少要达到28.8 kW。在保持平均功率不变的条件下，提高电源的瞬时放电能力，需要这样一种功率变换装置，能将涓涓细流积攒起来，然后迅速释放掉。显然，电容器就是这样的一种变换装置，它既有储能的作用，也具有快速放电的能力。因此，采用电容器作为飞机电源和发射机之间功率匹配的接口，是解决飞机电源瞬时功率不足的有效方法[5?6]。
根据计算，这个电容值比较大，达到了法拉级，直接挂接飞机电源，会导致瞬间短路。另外，飞机电源和发射机之间还存在阻抗匹配问题，要求的电源电压超过了飞机电源的28 V。因此，必须在飞机电源和储能电容器之间设计一级具有限流功能、升压功能、电气隔离功能的DC?DC变换充电器。
1 系统设计
设计的大功率直流变换电源如图1所示[7?10]，主体由16块平均功率为400 W的DC?DC模块组成，该类型开关电源模块具有同步脉冲控制接口，可以组成串并联阵列。每个模块的输出电压为18～36 V可调；其中每8块并联可实现90 A的额定输出并联模组；两个这样的模组串联后，可实现36～72 V输出，额定功率达到6.4 kW。
2 Vicor电源模块
选用Vicor大功率电源模块来构建大功率直流充电器，图2为Vicor电源模块内部等效电路图。
模块功能管脚说明：
+IN和-IN：电源输入，一般为宽压输入（考虑飞机电源为28 V，选用18～36 V系列）。
PC：使能开关。PC开路或PC对-IN的压差大于2.4 V，则模块使能；如果外部控制电路导致PC对-IN的压差小于2.4 V，则模块失能。
PR：并联同步总线。可以同步并联模块的高频开关信号，强制各模块均流。PR为双向端口，作为主模块，向各个从模块输出同步信号；作为从模块，则接收主模块的同步信号。
+OUT和-OUT：电源输出端；
+S和-S：正负输出电源参考端；
SC：输出电压控制端。内部通过电阻分压器对参考电源分压，产生一个误差信号。当SC对-S并一个电位器RD，调节RD的大小就可以控制输出电压的大小。
3 Vicor电源模块应用技术
3.1 并联均流控制技术
Vicor电源模块的特点是只需增加少量外部组件，便可以组成数千瓦功率的并联阵列，增大输出功率。通过PR引脚可以同步并联模块的高频开关信号，强制各模块均流。PR为双向端口，作为主模块，向各个从模块输出同步信号；作为从模块，则接收主模块的同步信号作为开关信号。
图3为均流同步电路连接图，图中V1，V2配置为主模块，V3等为从模块（各从模块的接线方式与V3相同）。每只模块的正负输入引脚都应用0.2 μF陶瓷或薄膜电容本地旁路，这样可以分流高频的输入纹波电流。每只模块的基板和负输入引脚之间应当接入一个4 700 pF的Y?电容，分流共模电流分量。专用变压器29768在PR引脚提供电气隔离。采用三极管提高主模块PR信号的驱动能力。
3.2 稳流控制技术
图1中由超级电容器组成的储能器的内阻非常小，所以一个很小的压差，也可能造成很大的负载电流，导致电源模块过流，甚至造成器件的永久性损坏。所以有必要设计一个闭环控制电路，当负载电流超过设定值时，自动降低模块的输出电压，从而减小输出电流，即实现稳流输出。如图4所示，通过电流传感器ACS714将输出电流转换为电压值，采用含有内部参考电压源（0.2 V）的双运算放大器LM10，工作原理如下：第一级运放的输出电压作为设定值，当输出电流的电压信号幅值（2脚）小于设定电压（3脚）时，由于运放为反相放大，6脚输出为正电压，导致D1反向截止，R6相当于开路，SC对地电阻为R7，此时模块的最大输出电压由R7决定；反之，当输出电流大于设定值时，6脚输出负电压，D1导通，减小了SC的对地电阻，从而降低模块的输出电压。
3.3 串联均压技术
如图1所示，由16块功率400 W的电源模块组成串并联阵列，每个模块的输出电压为18～36 V可调；其中每8块并联可实现90 A的额定输出并联模组；两个这样的模组串联后，可实现36～72 V输出，需要设计相应的均压控制电路，如图5所示。
当模块2的输出电压向下微调（V1<v2）时，三极管qsc1导通，并降低模块1的输出电压，直到v1=v2为止，反之亦然。
4 结 语
大功率直流电源是为了匹配飞机电源和发射机而专门设计的，可以提高电源的瞬时功率和输出电压以匹配负载。基于Vicor电源模块串并联技术的稳流充电器和由超级电容器组构成的储能器以及缓冲电感，构成了最终的大功率航空瞬变电磁发射机的电源系统，实际应用结果表明，该系统具有6.4 kW的平均功率，可以提供超过40 kW的瞬时功率，完全能够满足设计要求。
参考文献
[1] 胡平，李文杰，李军峰，等.固定翼时间域航空电磁勘查系统研发进展[J].地球学报，2012，33（1）：7?12.
[2] 陈曙东，林君，张爽.发射电流波形对瞬变电磁响应的影响[J].地球物理学报，2012，55（2）：709?716.
[3] 嵇艳鞠，林君，关珊珊，等.直升机航空TEM中心回线线圈姿态校正的理論研究[J].地球物理学报，2010，53（1）：171?176.
[4] 鄂国庆，徐英哲，李文杰.固定翼时间域航空电磁系统的飞机选型问题[J].物探与化探，2012，36（4）：595?597.
[5] 李军峰，李文杰，刘俊杰.一种新型的组合波航空电磁脉冲发射系统[J].物探与化探，2014，38（6）：1186?1189.
[6] 曾志辉，张一鸣，陶海军，等.基于超级电容器储能的时域激发极化法发射机研究[J].工矿自动化，2014，40（4）：51?54.
[7] 李俊唐，付志红，苏向丰，等.梯形脉冲瞬变电磁发射机[J].电测与仪表，2012，49（2）：72?75.
[8] 付一奎，杨永明，付志红，等.瞬变电磁发射机的无源恒压钳位技术[J].传感器与微系统，2011，30（8）：46?49.
[9] 赵海涛，刘丽华，吴凯，等.恒压钳位高速关断瞬变电磁发射系统[J].仪器仪表学报，2013，34（4）：803?808.
[10] 范永山，李治源，支彬安.高压恒流充电电源监控系统设计[J].现代电子技术，2011，34（14）：195?198.
[11] 熊静，高嵩，张良，等.LabVIEW时频分析在地空瞬变电磁信号处理中的应用[J].现代电子技术，2015，38（24）：107?110.
摘 要： 电磁发射机是瞬变电磁（TEM）探测系统的重要组成部分，在航空瞬变电磁法中，针对飞机电源供电能力不足的问题，基于Vicor电源模块串并联技术，设计一种大功率直流电源，与超级电容储能器一起，提高了电源的瞬时功率和供电电压，解决了飞机电源和发射机之间的功率和阻抗匹配问题。实际应用结果表明，该系统具有6.4 kW的平均功率，可以提供超过40 kW的瞬时功率，完全能夠满足设计要求。
关键词： 瞬变电磁发射机； 直流电源； Vicor电源模块； 瞬时功率
中图分类号： TN643+.1?34； TH763 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）18?0171?03
Design of high?power DC power supply for airborne transient electromagnetic transmitter
LIU Lei， LI Junfeng， LIU Junjie， LI Wenjie， WU Shan
（Institute of Geophysical and Geochemical Exploration， CAGS， Langfang 065000， China）
Abstract： Electromagnetic transmitter is an important component of transient electromagnetic （TEM） detection system. In order to improve power supply capacity of aircraft using aviation transient electromagnetic method， a high?power DC power supply was designed on the basis of series and parallel technologies of Vicor power supply module， which can raise the instantaneous power and power supply voltage of the power supply in combination with super capacitor energy storage device， and solve the problem of power and impedance matching between aircraft power supply and transmitter. The practical application results show that the system possesses the average power of 6.4 kW， and can provide instantaneous power above 40 kW， which is able to meet the design requirements.
Keywords： transient electromagnetic transmitter； DC power supply； Vicor power module； instantaneous power
固定翼时间域航空电磁法具有探测深度大、测量精度高的技术特点，是我国急需的快速高效的大深度矿产勘查装备技术。中国地质科学院地球物理地球化学勘查研究所在国家高技术研究发展计划支持下，经过多年的科研攻关，课题组在专用飞机改装设计、大磁矩发射、三分量宽带接收、实时全波形数据收录等核心、关键技术领域取得了突破性进展，研制成功了基于国产Y12IV型飞机，具有完全自主知识产权的固定翼时间域航空电磁系统空中样机[1?3]。为了匹配飞机电源和大功率发射机，需要研制由大功率稳压充电电源和大容量储能器构成的电源系统，为发射机提供满足要求的电压和功率。
Y12飞机只能提供5.6 kW的输出[4]，经过简单计算，要实现600 A峰值电流和50万A·m发射磁矩，飞机电源的瞬时供电能力至少要达到28.8 kW。在保持平均功率不变的条件下，提高电源的瞬时放电能力，需要这样一种功率变换装置，能将涓涓细流积攒起来，然后迅速释放掉。显然，电容器就是这样的一种变换装置，它既有储能的作用，也具有快速放电的能力。因此，采用电容器作为飞机电源和发射机之间功率匹配的接口，是解决飞机电源瞬时功率不足的有效方法[5?6]。
根据计算，这个电容值比较大，达到了法拉级，直接挂接飞机电源，会导致瞬间短路。另外，飞机电源和发射机之间还存在阻抗匹配问题，要求的电源电压超过了飞机电源的28 V。因此，必须在飞机电源和储能电容器之间设计一级具有限流功能、升压功能、电气隔离功能的DC?DC变换充电器。
1 系统设计
设计的大功率直流变换电源如图1所示[7?10]，主体由16块平均功率为400 W的DC?DC模块组成，该类型开关电源模块具有同步脉冲控制接口，可以组成串并联阵列。每个模块的输出电压为18～36 V可调；其中每8块并联可实现90 A的额定输出并联模组；两个这样的模组串联后，可实现36～72 V输出，额定功率达到6.4 kW。
2 Vicor电源模块
选用Vicor大功率电源模块来构建大功率直流充电器，图2为Vicor电源模块内部等效电路图。
模块功能管脚说明：
+IN和-IN：电源输入，一般为宽压输入（考虑飞机电源为28 V，选用18～36 V系列）。
PC：使能开关。PC开路或PC对-IN的压差大于2.4 V，则模块使能；如果外部控制电路导致PC对-IN的压差小于2.4 V，则模块失能。
PR：并联同步总线。可以同步并联模块的高频开关信号，强制各模块均流。PR为双向端口，作为主模块，向各个从模块输出同步信号；作为从模块，则接收主模块的同步信号。
+OUT和-OUT：电源输出端；
+S和-S：正负输出电源参考端；
SC：输出电压控制端。内部通过电阻分压器对参考电源分压，产生一个误差信号。当SC对-S并一个电位器RD，调节RD的大小就可以控制输出电压的大小。
3 Vicor电源模块应用技术
3.1 并联均流控制技术
Vicor电源模块的特点是只需增加少量外部组件，便可以组成数千瓦功率的并联阵列，增大输出功率。通过PR引脚可以同步并联模块的高频开关信号，强制各模块均流。PR为双向端口，作为主模块，向各个从模块输出同步信号；作为从模块，则接收主模块的同步信号作为开关信号。
图3为均流同步电路连接图，图中V1，V2配置为主模块，V3等为从模块（各从模块的接线方式与V3相同）。每只模块的正负输入引脚都应用0.2 μF陶瓷或薄膜电容本地旁路，这样可以分流高频的输入纹波电流。每只模块的基板和负输入引脚之间应当接入一个4 700 pF的Y?电容，分流共模电流分量。专用变压器29768在PR引脚提供电气隔离。采用三极管提高主模块PR信号的驱动能力。
3.2 稳流控制技术
图1中由超级电容器组成的储能器的内阻非常小，所以一个很小的压差，也可能造成很大的负载电流，导致电源模块过流，甚至造成器件的永久性损坏。所以有必要设计一个闭环控制电路，当负载电流超过设定值时，自动降低模块的输出电压，从而减小输出电流，即实现稳流输出。如图4所示，通过电流传感器ACS714将输出电流转换为电压值，采用含有内部参考电压源（0.2 V）的双运算放大器LM10，工作原理如下：第一级运放的输出电压作为设定值，当输出电流的电压信号幅值（2脚）小于设定电压（3脚）时，由于运放为反相放大，6脚输出为正电压，导致D1反向截止，R6相当于开路，SC对地电阻为R7，此时模块的最大输出电压由R7决定；反之，当输出电流大于设定值时，6脚输出负电压，D1导通，减小了SC的对地电阻，从而降低模块的输出电压。
3.3 串联均压技术
如图1所示，由16块功率400 W的电源模块组成串并联阵列，每个模块的输出电压为18～36 V可调；其中每8块并联可实现90 A的额定输出并联模组；两个这样的模组串联后，可实现36～72 V输出，需要设计相应的均压控制电路，如图5所示。
当模块2的输出电压向下微调（V1<v2）时，三极管qsc1导通，并降低模块1的输出电压，直到v1=v2为止，反之亦然。
4 结 语
大功率直流电源是为了匹配飞机电源和发射机而专门设计的，可以提高电源的瞬时功率和输出电压以匹配负载。基于Vicor电源模块串并联技术的稳流充电器和由超级电容器组构成的储能器以及缓冲电感，构成了最终的大功率航空瞬变电磁发射机的电源系统，实际应用结果表明，该系统具有6.4 kW的平均功率，可以提供超过40 kW的瞬时功率，完全能够满足设计要求。
参考文献
[1] 胡平，李文杰，李军峰，等.固定翼时间域航空电磁勘查系统研发进展[J].地球学报，2012，33（1）：7?12.
[2] 陈曙东，林君，张爽.发射电流波形对瞬变电磁响应的影响[J].地球物理学报，2012，55（2）：709?716.
[3] 嵇艳鞠，林君，关珊珊，等.直升机航空TEM中心回线线圈姿态校正的理論研究[J].地球物理学报，2010，53（1）：171?176.
[4] 鄂国庆，徐英哲，李文杰.固定翼时间域航空电磁系统的飞机选型问题[J].物探与化探，2012，36（4）：595?597.
[5] 李军峰，李文杰，刘俊杰.一种新型的组合波航空电磁脉冲发射系统[J].物探与化探，2014，38（6）：1186?1189.
[6] 曾志辉，张一鸣，陶海军，等.基于超级电容器储能的时域激发极化法发射机研究[J].工矿自动化，2014，40（4）：51?54.
[7] 李俊唐，付志红，苏向丰，等.梯形脉冲瞬变电磁发射机[J].电测与仪表，2012，49（2）：72?75.
[8] 付一奎，杨永明，付志红，等.瞬变电磁发射机的无源恒压钳位技术[J].传感器与微系统，2011，30（8）：46?49.
[9] 赵海涛，刘丽华，吴凯，等.恒压钳位高速关断瞬变电磁发射系统[J].仪器仪表学报，2013，34（4）：803?808.
[10] 范永山，李治源，支彬安.高压恒流充电电源监控系统设计[J].现代电子技术，2011，34（14）：195?198.
[11] 熊静，高嵩，张良，等.LabVIEW时频分析在地空瞬变电磁信号处理中的应用[J].现代电子技术，2015，38（24）：107?110.
