瞬变电磁法(Transient Electromagnetic Method，简写为TEM)是目前广泛应用的地质结构探测方法之一，利用发射机在发射线圈中产生双极性脉冲电流，激发一次脉冲磁场，在一次磁场间歇期间，测量由地下介质产生的感应电磁场(二次场)随时间的变化场，通过对二次场的研究，获得地下物质体信息(牛之琏，1992).瞬变电磁法可解决的地质问题范围不断扩大，被应用于物探工作的各个领域，包括：矿产勘探、构造探测、水文与工程地质调查，环境调查与监测、考古等.

近几年，基于矿产资源勘探应用和国家能源战略需求，瞬变电磁仪器在国内得到迅速发展.瞬变电磁系统发射机的负载一般为不接地发射回线或接地电极，发射回线一般为多匝线框，具有电感量大，电阻小的特点.传统的感性负载电感能量释放电路(李貅，2002；于生宝等，2006；付志红等，2006)包括：RCD电路、RC电路、阻尼电阻电路、耗能型准谐振电路.这些方法可以为感性负载提供有效的能量泄放回路，保护功率开关不被突波损毁，但是，电流下降速度缓慢，且线性度较差，无法满足瞬变电磁系统的应用要求.付志红等论述了基于钳位二极管的恒压钳位电路设计原理，提出了一种基于钳位二极管和储能电容组成的馈能型恒压钳位电路(付志红等，2008)，可以提升发射电流前沿和后沿，并进行了参数计算与优化.之后，付一奎等人提出了一种基于瞬态电压抑制器(TVS)的无源恒压钳位电路(付一奎等，2011)，电路结构简单，可以获得较短的关断延时，减小发射电路中的振荡，降低发射电流下降沿的抖动.

为了提高瞬变电磁系统的勘探能力，实现大电流、短关断延时、高线性度、高稳定度、电流过冲及尾部振荡小的双极性脉冲电流波形，是目前瞬变电磁系统发射机研究的关键技术难点(周逢道等，2006；林品荣等，2010).论文提出一种新颖的基于BOOST升压原理的有源恒压钳位发射机电路，分析了电路原理、参数计算及钳位过程，对钳位电压的恒定性做出论述，并给出了详实可靠的实验测试结果.基于BOOST升压原理的有源恒压钳位技术，可以将钳位电压提升至500 V，且稳定性好，使发射机关断延迟时间大大缩短，有效提高了电流下降沿线性度，且电流过冲得到有效抑制.目前，已经研制完成基于恒压钳位原理的发射机样机，发射电流可以达到50 A，最大发射功率为10 kW.为了验证仪器的性能水平，与澳大利亚商用瞬变电磁仪器TerraTEM(薛晓峰等，2012)进行了多次野外作业和对比测试，并获得大量的实验数据，证明论文设计的有源恒压钳位发射机已经达到国外商用瞬变电磁仪器的技术水平.

瞬变电磁系统发射机的工作原理如图 1所示，主要包括主控制核心、同步信号接口、系统电源管理、IGBT驱动电路、IGBT全桥主功率电路、发射线圈、重要参数检测电路、发射参数显示，以及报警显示及保护电路.其作用是控制发射机按照技术指标要求正常工作，包括发射电流波形控制(孙淑琴，2001；嵇艳鞠等，2006)、发射机内部参数监测与AD数据采集、故障状态报警及显示.

图 1

Fig. 1

图 1 瞬变电磁系统发射工作原理框图 Fig. 1 Diagram of TEM transmitter

系统各部分的功能描述为：发射机控制核心与TEM主控系统之间进行实时数据交换，产生同步的时序逻辑控制信号；参数检测单元包括电压检测、电流波形记录(周逢道等，2009)、温度检测和关断时间测量，实时监控发射机的工作状态；驱动电路将主控制核心产生的PWM控制信号转化成具有一定驱动能力的IGBT栅极驱动信号，控制IGBT的完全开启与关断；IGBT发射桥路为功率转换部份，将直流电压转换成双极性电流信号，其保护电路用来吸收关断尖峰电压，保证IGBT桥路正常工作；电源管理可分为弱电电源和强电电源，两电源之间采用光耦隔离技术，使强电部分与弱电部分实现安全隔离.

在瞬变电磁系统中，对于浅部探测，要求关断延迟时间尽量的短，有利于观测二次场早期信号，因为关断延迟时间越短，高频分量越丰富，且高频分量具有的能量越高，可以提高系统浅部探测能力；对于深部探测，需要观察二次场晚期信号，由于晚期信号非常弱，为了提高信号强度，不仅要求发射电流大，增强深部地质结构的电磁响应，同样要求关断延迟时间尽量缩短，因为关断延迟时间越短，感应电动势越强，对应的晚期观测信号也越强，可以有效提高系统的探测深度(Raiche，1984；Ignetik and Westfold，1989；闫述等，2009).

瞬变电磁系统发射电流下降过程中，发射线圈在关断时会产生很高的自感电压.随着电流变化速度越快、电感值越大，则自感电压越高，过高的自感电压会严重威胁功率器件的安全和系统的稳定性.电感能量的释放电路结构直接决定了发射电流下降沿关断延迟时间、下降沿线性度等关键技术参数(Smith et al.，2004；S rensen and Auken，2004)，并很大程度上影响了发射机在工作过程中的稳定性.

非理想的电流脉冲会造成瞬变电磁响应早期信号的畸变，需对早期数据进行校正(Auken et al.，2006；强建科等，2012).提高电流下降沿线性度，可以有效减少瞬变电磁硬件系统设计及后期数据处理的难度.恒压钳位技术(Fu et al.，2007；Grimm et al.，2009；陈曙东等，2012)的核心思想是通过一个恒定电压源，在IGBT全桥电路开关开启或关断期间，使负载电压钳位至该电压源，使发射电流上升沿或者下降沿期间的线性度由该恒压钳位电压源的电压大小来决定，此时钳位电压满足关系式为

通过设定钳位电压源的电压，可以调整电流下降沿的衰减斜率，即钳位电压越高，电流下降沿的变化率越快.图 2所示为恒压钳位过程中发射电流下降期间的电流及电压波形，其中U_s为发射全桥供电电压，U_c为发射电流下降沿期间的恒定钳位电压.

图 2

Fig. 2

图 2 恒压箝位条件下的发射电流与电压波形 Fig. 2 Waveform of transmitting current and voltage

分析图 2，对于感性负载L，电流下降沿期间电压与电流之间的关系满足公式(1)，设定关断延迟时间为t_d，发射电流为I₀，当发射电路的钳位电压为U₀时，则关断延迟时间可以表示为

综上分析，若要保持发射电流的线性度，同时减小电流关断延迟时间，则需要提高恒压钳位电压值.但是，恒压钳位电压必须与功率器件的电压应力相一致，否则过高的钳位电压会损毁电路中的功率器件.

依据恒压钳位工作原理，常规的恒压钳位方法包括两类：无源恒压钳位和有源恒压钳位.无源恒压钳位(付志红等，2008)一般依靠TVS管(Transient Voltage Suppressor)或者齐纳二极管来实现.目前，实用化的瞬变电磁仪器常采用多只齐纳二极管的串联来实现无源恒压钳位.有源恒压钳位方法则需要设计恒定电压的电压源，在发射机主控制核心电路的作用下，主动为发射机感性负载提供钳位高压源.因此，设计并实现稳定可靠的高压源是有源恒压钳位技术的关键难点之一.

论文提出了一种基于BOOST电路的钳位电压源电路，其工作原理如图 3所示.通过充放电开关T1以及大容量串联电容器组C2、C3实现高压的提升及电压恒定，可以为瞬变电磁发射机的电流上升或者下降沿提供稳定可靠的钳位高电压源.BOOST电路升压原理描述如下：当MOSFET开关T1闭合(场效应管导通)时，输入电压流过电感L1，TI和R1.二极管D1防止电容C2、C3对地放电.由于输入是直流电，所以电感上的电流以一定的比率线性增加.随着电感电流增加，电感储存能量提高.当开关T1断开(场效应管截止)时，由于电感L1通过的电流不能突变，关断瞬间维持原电流大小不变，但原来的回路已断开，于是电感L1只能通过新的回路放电，即电感L1和VCC串联，开始给电容C2、C3充电，电容两端电压迅速升高.通过控制MOSFET开关T1，可以实现将输入低电压VCC提升至设定的高压值.

图 3

Fig. 3

图 3 BOOST电路钳位电压源原理图 Fig. 3 Clamping voltage source basing on BOOST circuit

图 4为恒压钳位电压源的实测波形.通过闭环反馈控制，将BOOST电路输出电压升至500 V，利用高压电容存储足够的能量，形成一个稳定的钳位电压源.根据公式(2)，论文设计的瞬变电磁发射机关断延迟时间计算公式为

图 4

Fig. 4

图 4 BOOST电路输出电压波形 Fig. 4 Output voltage of the BOOST circuit

基于有源恒压钳位原理的瞬变电磁发射机电路如图 5所示.发射机电路主要由H桥电路、钳位及其控制电路、钳位电压源三部分组成.

图 5

Fig. 5

图 5 有源恒压钳位发射机电路原理图 Fig. 5 Diagram of constant clamping circuit

发射机供电电压为U_s，功率开关Q1、Q2、Q3、Q4组成H桥电路，其工作原理描述如下：

当半桥功率开关Q1、Q4导通时，发射机输出正向方波电流，此时钳位电路不起作用，负载电压等于供电电源电压U_s，此时钳位电路功率开关Q5处于截止状态，电源电压U_s通过隔离二极管D1为负载供电，发射电流进入平稳阶段，根据公式(1)，此时负载等效电感L上的电压为零.设全桥电路功率开关导通时的集射电压为V_CE(on)，则电源电压U_s与负载等效电阻R上电压的关系为

当半桥功率开关Q1、Q4截止时，Q5仍然处于截止状态，根据公式(1)，在Q1、Q4关断瞬间，感性负载上的电流会急剧变化，从而产生很高的感应电压，且感应电压远大于钳位电压源的电压.此时，感性负载中存储的能量通过钳位控制开关Q5的反向并联体二极管向由C2、C3组成的钳位电压源泄放.因此，在电流下降期间，负载两端电压等于钳位电压源电压U_C，根据公式(2)，负载电流在关断过程中快速、线性下降.

当I₀衰减为零时，负载能量大部分转移到高压电容C₂与C₃中，另小部分消耗在负载等效电阻R上，其对应的能量损耗为W_R.设定钳位电压源的初始电压为U_C1，其值为500 V，负载能量泄放到高压电容后，其对应电压升至U_C2，则能量转移满足关系式为

根据有源恒压钳位原理，已经完成瞬变电磁仪CASTEM发射机TX-41样机研制，并进行了实验测试与验证.采用美国Tektronics采样示波器及相应的高精度电流检测探头，测量实际发射的电流波形.图 6为在实验室内实测的双极性发射电流波形，发射回线为多匝10 m×10 m线圈，发射电流幅度为21 A，重复周期为40 ms，占空比为50%，发射波形稳定.

图 6

Fig. 6

图 6 实测双极性发射电流波形 Fig. 6 Measured waveform of transmitting current

图 7为图 6发射电流下降沿期间发射电流与发射电压的实测波形.可知，在电流下降沿期间，发射电流关断时间160 us，线圈负载两端电压被钳位至500 V，且钳位过程中电压稳定，电流过冲极小，电流波形质量很高，满足实际应用要求.

图 7

Fig. 7

图 7 下降沿期间发射电流与电压实测波形 Fig. 7 Measured results of transmitting current and voltage waveform at the falling edge

为了验证发射机在大回线大发射电流条件下的工作性能(嵇艳鞠等，2005，张天宝等，2009)，在河北康西草原进行野外测试实验.发射回线为单匝300 m×300 m线圈，实测等效电感L=3.7 mH，等效电阻R=0.48 Ω，钳位电压为500 V.图 8为实测的发射电流下降沿波形，实际发射电流可以达到46.8 A，关断延迟时间为347 us，且发射电流下降沿满足快速线性下降要求.根据公式(3)，电流下降沿关断延迟时间的计算值为t_d=346.3 μs，则实测电流关断时间与理论计算值相符.因此，论文提出的有源恒压钳位发射机电路达到了预期设计指标，且满足实际的应用要求.

图 8

Fig. 8

图 8 大电流情况下发射电流降沿波形 Fig. 8 Diagram of transmitting waveform at large current

对比国外典型的商用瞬变电磁仪发射机，大多采用恒压钳位技术实现发射电流快速线性下降，但具体的恒定电压钳位技术各有特点.表 1列举了目前在国内广泛应用的几种国外发射机仪器的关断时间和发射电流峰值对比.

表 1(Table 1)

表 1 国外典型瞬变电磁仪器参数对比 Table 1 Contrast of typical foreign TEM instruments 瞬变电磁仪 名称 关断时间 (us) 发射电流峰值 (A) 中科院电子所CASTEM Tx-41 T=2·I·L 50 澳大利亚TerraTEM TX-50 T=2·I·L 50 加拿大PHOENIX T4 T=I·L 40 加拿大GEONICS TEM57 T=5·I·L 28 俄罗斯TSIKL GTE-4M T=1.25·I·L 40

表 1 国外典型瞬变电磁仪器参数对比 Table 1 Contrast of typical foreign TEM instruments

为了验证仪器的整体探测性能(薛国强等，2013)，2013年5月，实验组在河北承德某矿区完成CASTEM系统和澳大利亚TerraTEM系统的野外对比实验.实验条件为：发射回线为200 m×200 m，单匝，发射电流20 A，接收线框带宽为20 kHz，发射回线与接收线框采用共中心方式.接收机参数设置为：叠加次数128，放大倍数2，同步方式采用GPS同步.两个不同系统获得的接收数据衰减曲线如图 9所示，由对比结果可知，CASTEM系统与TerraTEM系统在相同条件下对应的接收信号具有很高的一致性，并且晚期噪声水平相当.

图 9

Fig. 9

图 9 CASTEM和TerraTEM接收信号对比 Fig. 9 Contrast of the received signal between CASTEM and TerraTEM

为了解决瞬变电磁系统发射电流下降沿关断时间长，线性度差，电流过冲大等关键技术问题，论文提出了一种新颖的基于BOOST升压原理的有源恒压钳位发射机电路，可以为感性发射负载提供高速泄放回路，成功实现发射电流高速线性关断，有效抑制发射电流过冲，很大程度上提高了发射电流波形的质量.相比具有国际领先水平并在国内广泛应用的国外瞬变电磁仪器，如澳大利亚TerraTEM发射机TX-50，论文提出的有源恒压钳位电路使发射电流技术指标达到国外仪器的同等水平，并通过野外对比实验进行了验证.目前已经完成基于有源恒压钳位技术的发射机研制，该发射机具有集成度高、稳定性好、实用性强的特点，并在多次瞬变电磁野外实验中取得满意的探测效果.