大功率海洋电磁发射机DC-DC可控源电路特性分析
2017第四届轨道交通供电系统技术大会
会议由中国电工技术学会主办，将于2017年11月28日在北京铁道大厦召开，研讨电工科技最新研究成果对轨道交通供电领域所带来的革新影响和应用前景，推进协同创新。浏览会议详情和在线报名参会请长按识别二维码。
河南理工大学电气工程与自动化学院、北京工业大学电子信息与控制工程学院的研究人员陶海军、张一鸣、任喜国，在2017年第16期《电工技术学报》上撰文指出，海洋电磁发射机通过向海底发射大功率的电磁波，来获取海底结构和矿产资源的分布规律，但目前发射机存在体积大、发射功率小等问题，直接影响勘探深度。
提出采用PWM变换器组成发射机DC-DC可控源电路，然而常规的零电压开关全桥（ZVS-FB）PWM变换器存在高环流能量、占空比丢失以及滞后桥臂的ZVS范围受限等问题，为此介绍一种利用零电压零电流开关全桥（ZVZCS-FB）PWM变换器组成可控源电路。采用非对称移相控制，分析电路工作过程及特性，主要包括最大控制占空比、一次电流复位和隔直电容、占空比丢失、开关损耗以及环流能量等。
仿真和实验结果表明该DC-DC可控源电路实现了超前桥臂的ZCS开通和ZVS关断以及滞后桥臂的ZCS开通和关断，提高了电路效率和功率密度。
在海洋资源勘探开发过程中，由于钻井成本高、投资风险大，世界上各大石油公司在进行海上钻井前，都要开展地震、重力、磁力等多种海洋地球物理方法的综合勘探工作，以降低深水油气资源钻探风险[1,2]。
海洋可控源电磁勘探系统通过由拖船拖曳的发射机向海底激发电磁波，将多分量电磁接收机布设在海底测量电磁场值。通过计算视电阻率和相位，或者直接利用所观测的电场和磁场达到探测地下电参数特性分布特征，揭示海洋底层结构和油气等矿产资源的分布规律[3]。
目前海洋电磁发射机电路采用工频变压器+相控整流器结构，体积和重量大、发射功率小，不适合在水下密封，不能满足石油工业实际勘探需求[4,5]。
针对上述问题，本文提出采用PWM变换器替代相控整流器，摒弃了传统的工/中频变压器，这种改变带来的优点是：增加了一个线性度较好的控制量——PWM逆变器的占空比，据此可大幅提高发射电流的鲁棒性；显著减轻水下发射设备的重量，减小整个系统的体积；有利于把电能高效地从船上传输至海底，尤其是在深海发射时，能够明显地降低线损；能够在发射大电流时，有效地抑制发射机对周围电子设备造成的电磁干扰，绕开在海洋电磁勘探研究初期时走过的弯路[6,7]。
由于常规的零电压开关全桥（Zero Voltage Switching-Full Bridge, ZVS-FB）PWM变换器存在高环流能量、占空比丢失以及滞后桥臂的ZVS范围受限等问题[8,9]，文中介绍了一种ZVZCS-FB-PWM全桥变换器组成的发射机可控源电路，为了实现滞后臂的零电流开关（Zero CurrentSwitching, ZCS），采用具有容值较小的隔直电容，并在一次侧增加了一个小的饱和电抗器。
超前桥臂的ZVS是通过输出滤波电感存储的能量实现的。由于可以外加大电容在超前桥臂，所以，超前桥臂的ZVS关断在很宽的输入和负载范围内都容易实现。在续流期间，一次电流通过小的隔直电容电压复位，并维持在零。由于饱和电感阻断反向电流，允许滞后桥臂ZCS关断。漏感上储存的能量传递到隔直电容，通过增加隔直电容的电压（降低电容值），即使漏感相对较大的时候，也可以获得一个宽范围的控制占空比。
图20 海洋电磁发射机实物图
结论
1）针对海洋发射机发热严重、不同海域的阻抗差别大等问题，提出了采用ZVZCS-FB-PWM组成的海洋发射机电路，分析了电路的工作过程，实现了超前桥臂ZCS开通和ZVS关断以及滞后桥臂ZCS开关。
2）分析了ZVZCS DC-DC可控源电路的特性，主要包括最大控制占空比、一次电流复位和隔直电容、占空比丢失、开关损耗以及环流能量，与ZVS DC-DC可控源电路对比得知，ZVZCS DC-DC可控源电路降低了开关损耗和占空比丢失，降低了电路的损耗，整个电路的效率达到94%。
3）采用ORCAD/Pspice软件对饱和电感和ZVZCS DC-DC可控源电路进行了仿真，最后给出了样机的实验结果。由于发射机逆变桥中的IGBT采用零电流开关，可以使低频的IGBT工作于高频状态，进一步提高装置的开关频率和功率密度，缩小海洋发射机装置的质量和体积。