并行高密度电法发射系统

1万 · 2019-4-29 20:53

主控单元部分采用了台湾MOTIEN公司生产的具有高隔离电压特性的24V转_5 V和
24V转3.3 V的DCDC模块，型号分别为MD-2405S6H, MD-243R3S6H，该系列DCDC
模块隔离电压为3000V，运行效率高达8_5 070，输出纹波最大不超过士2 070，无需外围电路。
本系统使用单独的SV (6W)电源为OXCO供电，3.3V (6W)电源为液晶模块、ARM
芯片、FPGA芯片、GPS芯片等供电，其中FPGA内核所需的2._5 V和1.2V电源由_5 V电
源(3W)经AMS1117-2.5和AMS1117-1.2提供，电路原理图如图3.10所示。
此外，高压部分IGBT驱动模块需要电源电压为15V (6W)和15V (15W)两种电
源，选用不同功率的两种24V转1_5V的DCDC电源模块进行设计，电路图如图3.11所示。

1万 · 2019-4-29 20:54

并行高密度电法发射系统选用STM32单片机作为主控单元，通过给FPGA发送控制
命令使之输出所需频率的四路PWM方波，即PWM 1-4。这四路PWM方波分别对应高压
部分由4个IGBT开关构成的H桥的驱动信号，该驱动信号直接控制了H桥的导通与关
断。此外，IGBT驱动模块自带短路异常检测电路，当驱动电路中某通道发生短路或驱动
异常情况时，驱动模块对应通道会产生一个反馈信号SO，该信号由高压部分传输至 FPGA
内部，进而产生相应的保护措施。无论是四路驱动信号或是四路异常反馈信号均是由高低
压两侧产生并传输至不同电压的另外一侧。为防止高压部分对低压主控电路产生冲击干
扰，信号在高低压两侧传输时需要经过严格的隔离电路处理。
本文选用光祸芯片TLP_521_ 2设计隔离电路，该芯片具有两个通道，隔离电压为
2_SOOV，该芯片的最大传输延时时间最大为42}s，对应的传输最大信号频率为200kHz,
远大于本系统发射信号的频率，可以满足系统设计要求。如图3.12所示为对应的电路原
理图，FPGA输出至光祸芯片中间加300电阻限流，光祸芯片输出后连接IGBT驱动模
块。本设计中在光祸输出端加电阻再与电源连接的方式可以增大输出电流，从而提升电路
的驱动能力。

1万 · 2019-4-29 20:54

1万 · 2019-4-29 20:57

并行高密度电法发射系统最终发射的是方波的高压电信号，电压值最大可到1200V
并以一种频率循环发射，因此本设计选用全控型电压驱动式开关元件IGBT。由于此类器
件不需较大驱动电压，而且输入阻抗较高，非常适合作为本系统的高压部分的开关模块。
在本设计中，高密度电法发射系统外接高压输入V+, V-，内部与4个IGBT的集电
极C连接，高压输出A, B与IGBT的发射极E连接，系统通过控制四个IGBT不同时
刻的导通与关断实现单频率双极性方波电压的输出。工作连接示意图如下3.13所示。该
部分工作原理如下，系统通过控制单元使FPGA产生四路PWM信号，信号经光祸隔离芯
片进入IGBT驱动模块。由两个驱动模块驱动IGBT Q1-Q4的导通和关断，PWM 1, PWM4
输出高电平时，1 INA和2INB为高电平，Q1和Q4导通，PWM2和PWM3输出低电平，
1 INB和2INA低电平，Q3和Q2截止，A端为V+, B端为V-; PWM2和PWM3输出高
电平时，1 INB和2INA高电平，Q2和Q3导通，PWM 1, PWM4输出低电平，1 INA和
2INB为低电平，Q1和Q4截止，A端为V-} B端为V+o

1万 · 2019-4-29 20:57

此外，2SD300C17驱动模块自带欠压、短路与过流保护功能，模块通过Uce检测电
路实现对模块回路的实时观测。当模块驱动侧出现电压不足或过流现象时，检测电路会将
该故障状态回馈到驱动电路，使驱动信号截止，高压IGBT开关立刻关断，同时，驱动模
块内部会同时产生一个代表故障信号的低电平信号，本设计进行电路设计时将该状态输出
端经光祸芯片隔离后与FPGA连接，用于主控系统的保护控制。2SD300C17具有两路驱
动通道，故可以同时驱动两个IGBT开关，通过MOD管脚可方便选择直接和半桥两种工
作模式。本设计将MOD端直接接VDD，选择使用直接模式，两路信号单独驱动，互不
干扰，如图3.14所示为2SD300C17驱动模块电路图。

1万 · 2019-4-29 20:57

1万 · 2019-4-29 20:59

并行高密度电法发射机的工作模式还有相位激电模式，该模式下系统主要发射占空比
为100%的单频方波。在相位激电模式下，需要设置的参数为任务总数、任务频率和启动
时间。此模式下可设置任务共有8组，分别对应的频率为16Hz, 8Hz, 4Hz, 2Hz, 1Hz,
0._SHz, 0.2_SHz, 0.12_SHz, 0.062_SHz，每组任务对应一定的发射时间长度，且最大可设置
任务总数为16。系统通过判断GPS时间与设置启动时间进行任务的开始和停止。如图4._5
所示为相位激电模式程序设计流程图。

1万 · 2019-4-29 20:59

1万 · 2019-4-29 21:00

1万 · 2019-4-29 21:00

1万 · 2019-4-29 21:01

1万 · 2019-4-29 21:02

只看该作者 · 2020-3-15 10:48

你好东南博士，看到你的帖子，感觉我们想法一致性达99%

1万 · 2020-3-15 19:42

ricky000305 发表于 2020-3-15 10:48
你好东南博士，看到你的帖子，感觉我们想法一致性达99%

如果有技术方面的交流，我们可以聊聊！