摘要：瞬变电磁法是无损地球物理探测仪市场的发展趋势，而且应用范围不断在扩大。瞬变电磁发射机作为瞬变电磁法勘探的重要组成部分，它的性能几乎就决定了该方法勘探的有效性。为对浅层甚至是甚浅层采用多匝小线圈进行精确勘探，该团队采用SiC MOSFET器件设计一种改进型的瞬变
近日，中南大学地球科学与信息物理学院和无锡职业技术学院的研究团队发表一篇题为《基于SiC MOSFET的浅层高分辨瞬变电磁发射机研制》论文。
瞬变电磁法是无损地球物理探测仪市场的发展趋势，而且应用范围不断在扩大。瞬变电磁发射机作为瞬变电磁法勘探的重要组成部分，它的性能几乎就决定了该方法勘探的有效性。为对浅层甚至是甚浅层采用多匝小线圈进行精确勘探，该团队采用SiC MOSFET器件设计一种改进型的瞬变电磁发射机。
该团队认为，SiC MOSFET是第三代半导体器件，不仅响应速度，还是耐压、耐流和散热性等都优于目前市面上应用最广的硅基IGBT，因此采用SiC MOSFET设计瞬变电磁发射机是未来趋势。
研发背景：
瞬变电磁法的原理和技术难点
瞬变电磁法（TEM）是一种应用于地质结构探测的方法，它凭借着自身独特的优势，如无损探测、受地形起伏影响小、分辨率高、对良导体敏感、工作效率高、工作方式灵活多变等，在重力勘探、磁法勘探、电法勘探、地震勘探、放射性勘探等诸多物探方法中脱颖而出。
随着瞬变电磁理论研究的深入、仪器性能的提升，其应用范围从最初的只限于金属矿勘探，不断拓展到现在的石油资源勘探、地热资源勘探、寻找地下水、构造探测、海水入侵、圈定地下污染区等领域。
近年来，随着国家绿色发展概念的普及，生态环境保护意识的提高，地质灾害预防工作的开展，对于浅层地下空间的无损地球物理探测需求不断增加。
目前应用于浅层勘探的方法主要有三种：探地雷达法、时间域瞬变电磁法和频率域瞬变电磁法：
▲探地雷达法：对高阻体较为敏感，具有较高的分辨率，探测深度为几厘米到10米。但当电阻率较小时，该方法的探测深度将大打折扣，缩至1米以内。
▲频率域瞬变电磁法：由于是在一次场背景上测量二次场，故其分辨率低，且扫频需要一定的时间，因此工作效率低。由于时间域瞬变电磁法测量的是纯二次场信号，并且具有分辨率高，工作效率高，对良导体敏感和受地形起伏影响小等优点，从而在浅层勘探中占据主导地位。
▲瞬变电磁发射机：作为瞬变电磁法勘探的重要组成部分，它的性能几乎就决定了该方法勘探的有效性。
瞬变电磁法依据电生磁、磁生电物理现象，即电磁感应原理，将岩石和矿石的导电性和导磁性差异作为物质基础，探测分析地下地质体。
目前，瞬变电磁发射机的研制主要面临以下几个挑战：
▲关断时间
关断时间决定了一次场信号与二次场信号的耦合度，从而决定了较浅层信息的有效性。当采用多匝小线圈发射时，在线圈材料和发射电路结构均无法继续突破的前提下，如何严控关断 时间是面临的最大挑战。
▲ 较浅层信息勘探
当匝数较多时，发射机的关断时间基本都在10微米级左右，这时一次场信号与二次场信号始终都会有不同程度的耦合。如何设计一种方案能在不完全依赖特定的关断时间前提下，也能快速和有效激励较浅层的二次场信号是面临的第二个挑战。
▲ 发射波形记录
能全时域记录发射的双极性波形对后期数据反演具有重要的意义。为对发射波形的下降沿进行精确记录，就需要采用高采样率的ADC。这时就会产生大量的数据，从而给处理和存储系统带来较大压力。如何在严控数据量和保证 下降沿采集精度的前提下，对发射波形进行全时域记录是面临的第三个挑战。
上述两类瞬变电磁发射机虽然部分可以把关断时间控制在1微秒左右，但都采用匝数较少甚至单匝的大发射回线进行波形发射。大发射回线的边长基本都达到了20米以上，当野外地形较差或者在隧道和井下这种较密闭空间进行勘探时，采用这种发射回线装置的勘探效率就严重降低，甚至无法开展勘探工作。
当采用多匝小线圈进行发射时，虽然灵活性和机械移动性大幅度提升，但由于受到功率管器件工艺的影响，从而导致关断时间较大，达到几十甚至上百微秒，这显然无法满足对浅层地质结构进行精确勘探的需求。
因此，如何设计一种瞬变电磁发射系统，使得该系统具有发射线圈小，移动灵活，关断时间短，并能对浅层甚至是甚浅层信息都能进行精确勘探就显得十分重要。
SiC瞬变电磁发射机：
电路设计及试验结果
本文以SiC MOSFET为基础，设计一种改进型的瞬变电磁发射机，该发射机采用多匝小线圈进行电流波形发射，并用响应速度更快、散热性更好的SiC MOSFET代替硅基IGBT作为功率开关管，在保证灵活性和移动性的前提下，使得关断时间得到严格控制。
此外，本发射机支持大小两种电流切换发射，当对甚浅层或较浅层进行勘探时，可采用小电流发射，这大幅度提升了勘探的精度。
瞬变电磁发射机整机设计方案的强电部分H桥主要由4个功率开关管组成。
目前市面上， 发射机的开关管主要有硅基IGBT和硅MOSFET两种，由于硅基IGBT具有更高的耐压和耐流值，因此相比硅MOSFET更合适做开关管。发射机的关断时间除线圈能量的泄放时间外开关管的响应时间也一定程度决定了的关断时间。虽然硅MOSFET具有一些优势，但该器件存在拖尾电流效应，这就导致基于该器件的关断时间不会太小，进一步降低发射系统的关断时间。
为此，本文选用新型SiC MOSFET器件来重新设计H桥电路，主要是有两个原因：
▲ SiC MOSFET是第三代功率半导体器件，相比硅基IGBT，它没有拖尾电流，同时耐压性和散热性都远强于硅MOSFET。
▲ SiC 带隙宽度、击穿场强、热导率以及电子偏移速度均数倍于硅，这就使得SiC 器件在工作温度、可靠性、耐压性、散热能力和响应速度方面均有显著提高。
由于本发射机的钳位电压500V，最大发射电流15A，本文综合对比了Wolfspeed和罗姆公司的几款器件。
总栅极电荷是指为了导通MOSFET而注入到栅极的电荷量，该值越大，导通MOSFET时需要的电容充电时间越长，开关带来的损耗越大；反之，该值越小，电容充电时间越短，开关损耗越小。SiC MOSFET的导通电阻和总栅极电荷之间存在紧密联系，两者呈负相关关系。
综合这些参数，本次设计选用Wolfspeed公司的C3M0060065K这款SiC MOSFET。该器件是Ｎ沟道增强型SiC MOSFET，典型导通内阻仅为60mΩ，导通关断电压与传统硅基器件不同，分别为15V/-4V；体二极管额定电流为23A，正向导通电压为51A，反向恢复时间仅需11纳秒。
此外，SiC MOSFET器件封装均为4脚封装，与３脚封装相比，4脚封装单独设置了栅极驱动引脚，称为辅助源极或开尔文管脚。开尔文管脚的引入，避免了驱动回路和功率回路共用源极线路，实现两个电路的独立、解耦，使得栅极驱动回路中没有大电流穿过，不受来自功率回路中感应电压的干扰，从而改善了开关特性，使开关损耗降低。
对于SiC MOSFET，更高的开关速度就引入了更高量级的di/dt、dv/dt，对驱动电路的可靠性也提出了更高的要求。目前，SiC MOSFET存在的主要问题是开关振荡和电压过冲。对于这两个问题，可以通过采取负压关断及增加栅极电阻来解决：
▲ 结合C3M0060065K芯片资料，实际设计时，该器件的导通和关断电压分别设计为+15V和-33V。
▲ 由于SiC MOSFET的开关速度与驱动电路的驱动能力相关，驱动能力越强，开关速度也就越快。为能快速驱动SiC MOSFET，需对弱控制信号进行放大。本设计选用栅极驱动器IXDN609SI来对弱控制信号进行放大。该驱动器能提供35V的输出摆幅和高达9A的输出电流，可以很好的满足C3M0060065K对驱动能力的要求。
对于多匝小线圈发射，为严控关断时间，本次设计的发射机支持大小两种电流切换发射：
▲ 当对甚浅层或较浅层区域进行勘探时，可选择小电流发射，发射电流为1.1A，关断时间只有4微秒。
▲ 当对浅层区域进行勘探时，可选择大电流发射，发射电流为16.2A，关断时间为35微秒。
测试表明，通过变采样率采集，在保证上升沿和下降沿的采集精度外，可以把数据量控制到较低的水平，从而增加了存储系统的稳定性。
此外，本发射机电路板尺寸较小，只有255mm×192mm，并且支持12V蓄电瓶供电，所以便携性较好，能一定程度上提高野外勘探效率。
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