基于DDS的变频精密脉冲型电源系统设计

我国是水资源缺乏的国家,急需用新方法、新技术勘查地下水资源。地面核磁共振找水方法是目前世界上唯一直接找水的地球物理方法[1]。发射机是核磁共振找水仪的核心部分，而发射的交变脉冲电流的质量直接关系到地下水探测的深度和反演的精度。因此，设计一台发射功率大、频率精度高、自动调整谐振电容的电源是本文重点研究的内容,研制实现的电源最高可以产生3 000 V、400 A的正弦脉冲信号,满足100 m以内的地下水探测的要求。解决了发射功率小、频率精度低、关断后能量释放慢等关键性的技术难题，为利用核磁共振技术探测地下水奠定了坚实的基础。
水中的氢核具有微弱的磁性，在地磁场的作用下产生宏观的磁矩。向铺在地面上的发射线圈中输入一交变电流脉冲，其频率等于氢质子在稳定能级的旋进频率(亦称拉莫尔频率)。该交变电流脉冲在垂直于地磁场方向产生一激发磁场,使水中氢质子的宏观磁矩停留在垂直于地磁场方向,切断激发交变电流脉冲后,撤去激发磁场,水中氢质子产生绕地磁场的旋进运动,此时,用接收线圈拾取由激发脉冲矩激发产生的氢质子核磁共振信号NMR(Nuclear Magnetic Resonance),通过反演得到地下水的厚度、深度、含水量等信息[2]。
1 核心电路设计
电源系统主要由频率产生模块、DC-DC逆变模块、驱动电路模块、大功率交变脉冲产生模块、谐配电容参数调整模块、电容储能模块、发射线圈以及单片机组成,如图1所示。

电源系统的工作过程是：首先通过PC机把测试点的拉莫尔频率、DC-DC逆变模块输出电压、采集模式等参数送入单片机，然后由单片机通过DA模块设定逆变模块的输出电压值及频率产生模块的频率参数，其中频率产生模块输出的信号经过驱动电路模块和大功率交变脉冲模块产生功方波，再经过串联在线圈中的谐振电容，变换为发生核磁共振所需的正弦波激发脉冲；AD模块完成逆变模块输出端电压的实时采样，比较预置电压和输出电压的大小来决定是否继续给电容充电；谐配电容参数调整模块利用电路谐振,自动调整电容的大小，并确定发射过程中电容的最佳值。一次发射的脉冲信号持续时间为40 ms，然后停止发射，经过约70 ms的线圈能量释放时间后，完成一次发射。
1.1 频率发生器及驱动电路的实现
　 频率发生器的电路主要完成产生精度高的方波信号，控制IPM输出频率可变的交流信号。在世界范围内，地磁场强度在30 000 nT~60 000 nT范围变化，对应拉莫尔频率范围为1.3 kHz~3.7 kHz[3-4]。NMR对激发脉冲的频率精度要求非常高，利用多次采集叠加提高信噪比的方法接收天线上的NMR信号，在探测点每次发射的脉冲必须保持同频同相，因此采用ADI公司高集成度的DDS芯片AD9851作为频率发生器的主控芯片。AD9851接口功能控制简单，32位频率控制字,在180 MHz时钟下，输出频率分辨率达0.037 2 Hz，完全可以满足发射机的发射要求。驱动电路主要是对AD9851输出的方波进行放大，然后驱动IGBT功率管，产生交流信号。考虑到通过IGBT的电流最高达到400 A,本文选取了三菱公司的M57962L作为驱动模块，该驱动模块内部集成了3 000 V的高隔离、高电压的光电耦合器，过流保护电路和过流保护端子，具有封闭性短路保护功能，满足实验要求。
1.2 大功率交变脉冲模块电路的实现
大功率交变脉冲模块的设计是电源设计的核心技术和难点。大功率交变脉冲模块的功能是：通过天线和谐配电容箱组成的LC回路，发射特定频率的交变电流信号，从而产生垂直于地磁场方向的交变磁场，最终激发地下水中的氢核磁矩发生偏转而产生自由感应衰减信号(FID)。由于核磁共振接收到的有效信号为纳伏(nV)级，因此激发的交变磁场强度越大，则激发的脉冲矩(q=I0t)越强，从而保证接收的核磁共振信号越强,探测地下水的深度就会越精确。
因此采用方波全桥逆变技术设计了电压型H桥电路，由AD9851产生的高精度拉莫尔频率的脉冲经过死区时间产生电路、驱动电路后控制H桥4个臂的间隔导通，在输出端产生大功率的方波，经过发射线圈和谐振电容后，变成发射所需的正弦功率波。在实际电路设计中，采用三菱公司的2块大功率PM400DSA060模块(简称IPM)构成H桥电路，代替由4个独立的IGBT功率管组成的电路，不仅把功率开关器件和驱动电路集成在一起，而且通过内置过电压、过电流和过热等故障检测电路，将检测信号送到单片机，实现对IPM发射状态的实时监测。大功率IPM模块电路如图2所示。

由于开关器件不可避免地存在关断时间，即从控制器发出关断控制信号到 H桥开关器件彻底关断,会有一定的延迟时间，这个时间通常称之为死区时间或空载时间[4]。因此需要