多電平高壓電性源電磁發射電路的制作方法
【專利摘要】本發明涉及一種多電平高壓電性源電磁發射電路，該電路采用多電平輸出，是由兩個電壓相同的直流電源E1和E2通過發射橋路(H橋式逆變電路)連接大地負載。高壓電性源電磁法發射橋路主要包括8個IGBT、8個續流二極管、四個反向并聯的鉗位二極管和兩個電源。與現有技術相比，每個功率器件僅承受1/2的母線電壓，采用低耐壓的器件實現高壓大功率輸出，節約了成本；低壓IGBT模塊可以工作在較高的開關頻率，發熱問題較容易解決，發射電路滿足頻域電磁法發射10kHz左右電流波形的要求，克服高壓IGBT發熱問題。
【專利說明】多電平局壓電性源電磁發射電路
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及一種地球物理探測中的電法探測儀器，尤其是適用于各種電法儀器的大功率高壓逆變發射裝置。
【背景技術】
[0002]電性源電磁法儀器通常采用H橋路作為發射裝置的功率變換主回路，以有限長接地導線為場源向地下供以脈沖電流，在地下建立起一次脈沖磁場，在一次磁場間歇期間，在距場源中心一定距離處同時觀測感應的二次電、磁場參數。由于該法早期信號反映淺部地電特征，晚期信號反映較深部地電斷面，這就可以達到測深的目的。負載由大地和導線組成，則負載可以等效為電阻與電感的串聯電路。發射機電流與探測深度成正比，因此希望發射電流越大越好，實際上就是希望發射電壓越大越好。現有技術普遍采用提高供電電壓，如美國Zonge公司的GPD32-1I型多功能電法工作站發射機參數1000V，45A ;加拿大鳳凰公司的V8多功能電法探測儀發射機最大為1000V，40A。但是這種控制技術增加了功率變換電路產生電磁干擾的強度，并且增大了橋路開關器件的開關損耗。目前電路常采用橋路開關器件是IGBT，其高壓模塊有3300V、4500V、6500V，在輸出橋路的設計中，由于工藝、分布參數以及安全性的影響，一般工作電壓選擇額定值的二分之一到二分之一，可以滿足1500V左右電壓的要求。如果想提高電壓到2000V或者2500V，但由于大功率發射對功率器件的性能要求很高，大功率器件的價格又非常昂貴，同時如果功率器件長時間承受高電斥其穩定性也相應降低，因此利用現有的單管橋路作為發射裝置很難實現高壓發射的目的。
[0003]目前多采用的辦法就是功率器件的串聯使用，將所要發射的電壓平均分配到串聯的功率器件上，這樣就減小了每個功率器件的上的電壓，實現高壓發射的目的，但是這種方法存在的問題是功率器件的均壓很復雜，很難保證串聯的功率器件之間的電壓平衡，從而更容易導致器件的損壞。
[0004]近年來提出了功率器件串聯移相控制技術，通過對主電源分級，對各級電源移相控制，實現主電源的分級接入和撤離，解決主電路中功率器件的動態均壓問題，但是這種控制技術增加了主控電路的復雜性；增加了主電源的級數；增加了移相控制電路和移相控制的功率器件。同時由于電源分級加入，對輸出的波形也有一定的影響，在負載端得到的電壓波形在上升和下降時呈現階梯狀。因此功率器件的串聯使用很難得以廣泛應用。
【發明內容】
[0005]本發明的目的就是針對上述現有技術的不足，提供一種既適用于時域又適用于頻域的發射要求的多電平高壓電性源電磁發射電路。
[0006]本發明的目的是通過以下技術方案實現的:
[0007]多電平高壓電性源電磁法發射電路，該電路采用多電平輸出，是由兩個電壓相同的直流電源E1和E2通過發射橋路連接大地負載。
[0008]發射橋路是由8 個 IGBT(S1) S2, S3> S4, S5, S6, S7, S8)、8 個續流二極管(D1' D2、D3'D4、D5、D6、D7、D8)四個反向并聯的鉗位二極管(VD1、VD2、VD3、VD4)，直流電源E1、E2先串聯，再與發射橋路并聯，每個橋臂有兩個可控開關IGBT和兩個續流二極管D組成:第一橋臂中S1與D1并聯，S2與D2并聯，然后兩者再串聯；第二橋臂中S3與D3并聯，S4與D4并聯，然后兩者再串聯；第三橋臂中S5與D5并聯，S6與D6并聯，然后兩者再串聯；第四橋臂中S7與D7并聯，S8與D8并聯，然后兩者再串聯；N點就是直流電源的電壓中點，四個鉗位二極管(Vd)分別連接電源中點和橋臂中點:VD1連接第一橋臂的中點與電源中點；Vd2連接第二橋臂的中點與電源中點；Vd3連接第三橋臂的中點與電源中點；Vd4連接第四橋臂的中點與電源中點。第一與第二橋臂連接點為A，第三與第四橋臂連接點為B，A、B兩點作為發射橋路的輸出端，弓丨出導線，連接大地負載。
[0009] R是大地等效電阻，L是接地電線的等效電感。
[0010]負載電壓上升沿分為兩個部分4、S2、S7先導通，其余IGBT關斷，此時，直流電源El的電壓E/2加在輸出端AB之間，電流經S1、S2、R、L、S7、VD4與第一個電源E1形成回路；在經過短暫時間后，S1, S2, S7, S8導通，其余IGBT關斷，此時，直流電源E1、E2的電壓之和E加在輸出端AB之間，電流經Sp S2, R、L、S7, S8與兩個電源形成回路。即負載電壓是有O電平變先為E/2電平，再由E/2電平變為E電平。
[0011]負載電壓下降沿分為兩個部分。。^&保持導通，其余IGBT關斷，此時，直流電源El的電壓E/2加在輸出端AB之間，電流經S1、S2、R、L、S7、VD4與第一個電源E1形成回路，即負載電壓是有E電平變先為E/2電平；經過短暫時間后，所有IGBT均關斷，此時負載電壓是0，即負載電壓由E/2電平變為O電平。
[0012]有益效果:每個功率器件僅承受1/2的母線電壓，所以可以用低耐壓的器件實現高壓大功率輸出，節約了成本；低壓IGBT模塊可以工作在較高的開關頻率，發熱問題較容易解決，發射電路滿足頻域電磁法發射IOkHz左右電流波形的要求，克服高壓IGBT發熱問題。
【專利附圖】
【附圖說明】:
[0013]附圖1:為多電平高壓電性源電磁發射電路框架圖
[0014]附圖2:為附圖1中發射橋路拓撲圖
[0015]附圖3:驅動信號及輸出波形圖
[0016]附圖4:表1發射機輸出電壓與開關狀態之間的關系(O表不關閉，I表不導通)【具體實施方式】:
[0017]下面接附圖和實施例作進一步的詳細說明:
[0018]多電平高壓電性源電磁法發射電路，該電路采用多電平輸出，是由兩個電壓相同的直流電源E1和E2通過發射橋路連接大地負載。
[0019]發射橋路是由8 個 IGBT(S1) S2, S3> S4, S5, S6, S7, S8)、8 個續流二極管(D1' D2、D3'D4、D5、D6、D7、D8)四個反向并聯的鉗位二極管(VD1、VD2、VD3、VD4)，直流電源E1、E2先串聯，再與發射橋路并聯，每個橋臂有兩個可控開關IGBT和兩個續流二極管D組成:第一橋臂中S1與D1并聯，S2與D2并聯，然后兩者再串聯；第二橋臂中S3與D3并聯，S4與D4并聯，然后兩者再串聯；第三橋臂中S5與D5并聯，S6與D6并聯，然后兩者再串聯；第四橋臂中S7與D7并聯，S8與D8并聯，然后兩者再串聯；N點就是直流電源的電壓中點，四個鉗位二極管(Vd)分別連接電源中點和橋臂中點:VD1連接第一橋臂的中點與電源中點；Vd2連接第二橋臂的中點與電源中點；Vd3連接第三橋臂的中點與電源中點；Vd4連接第四橋臂的中點與電源中點。第一與第二橋臂連接點為A，第三與第四橋臂連接點為B，A、B兩點作為發射橋路的輸出端，弓丨出導線，連接大地負載。
[0020]R是大地等效電阻，L是接地電線的等效電感。
[0021]負載電壓上升沿分為兩個部分4、S2、S7先導通，其余IGBT關斷，此時，直流電源El的電壓E/2加在輸出端AB之間，電流經S1、S2、R、L、S7、VD4與第一個電源E1形成回路；在經過短暫時間后，S1, S2, S7, S8導通，其余IGBT關斷，此時，直流電源E1、E2的電壓之和E加在輸出端AB之間，電流經Sp S2, R、L、S7, S8與兩個電源形成回路。即負載電壓是有O電平變先為E/2電平，再由E/2電平變為E電平。
[0022]負載電壓下降沿分為兩個部分義”^&保持導通，其余IGBT關斷，此時，直流電源El的電壓E/2加在輸出端AB之間，電流經S1、S2、R、L、S7、VD4與第一個電源E1形成回路，即負載電壓是有E電平變先為E/2電平；經過短暫時間后，所有IGBT均關斷，此時負載電壓是0，即負載電壓由E/2電平變為O電平。
[0023]本發明提出的高壓電性源電磁法發射機系統框圖如圖1所示，主要包括發電機、直流電源、發射橋路組成。一般為了降低成本和系統的復雜程度，選用常見的三相交流柴油發電機，輸出電源的頻率為50Hz，電壓為380V，通過整流器，直流/直流變換器(DC/DC)，產生需要的穩定直流電壓或者電流。發射橋路主要是給負載提供雙極性的穩定電壓或者電流，以滿足電磁探測的一次場形成的要求。
[0024]本發明提出的多電平發射電路拓撲結構如圖2所示，主要包括8個IGBT(S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8)、8 個續流二極管(Dl、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8)四個反向并聯的鉗位二極管(VD1、VD2、VD3、VD4)，兩個電源E1、E2，負載R、L。其基本連接框架是兩個電壓相同的直流電源E1、E2先串聯，再與發射橋路并聯。發射橋路由四個橋臂構成，每個橋臂有兩個可控開關器件(IGBT)、兩個續流二極管(D)組成:第一橋臂中SI與Dl并聯，S2與D2并聯，然后兩者再串聯；第二橋臂中S3與D3并聯，S4與D4并聯，然后兩者再串聯；第三橋臂中S5與D5并聯，S6與D6并聯，然后兩者再串聯；第四橋臂中S7與D7并聯，S8與D8并聯，然后兩者再串聯。因為兩個直流電源E1、E2電壓相同，所以N點就是直流電源的電壓中點，四個鉗位二極管(VD)分別連接電源中點和橋臂中點:VD1連接第一橋臂的中點與電源中點；VD2連接第二橋臂的中點與電源中點；VD3連接第三橋臂的中點與電源中點；VD4連接第四橋臂的中點與電源中點。第一與第二橋臂連接點為A，第三與第四橋臂連接點為B，A、B兩點作為發射橋路的輸出端，引出導線，連接大地負載(R是大地等效電阻，L是接地電線的等效電感)。
[0025]多電平高壓電性源電磁法發射機可以用于時間域電磁法和頻域電磁法，多電平發射電路的控制方式如圖4所示，其基本步驟包括:
[0026]對于時間域電磁法來說:
[0027](I)在0-T/4時間段內，其中T為發射電流波形的周期，S1-S8截止，輸出端AB之間電壓UAB為0，輸出電流IAB為O。
[0028] (2)在IWt1時間段內，SpS2、S7導通，其余IGBT關斷，此時，直流電源El的電壓E/2加在輸出端AB之間。電流經Sp S2, R、L、S7, Vd4與第一個電源El形成回路，實質上就是直流電源對感性負載充電過程，負載電壓電流可由式I所示:
【權利要求】
1.一種多電平高壓電性源電磁法發射電路，其特征在于，該電路采用多電平輸出，是由兩個電壓相同的直流電源E1和E2通過發射橋路(H橋式逆變電路)連接大地負載。
2.按照權利要求1所述的多電平高壓電性源電磁法發射電路，其特征在于，發射橋路是由 8 個 IGBT (S1' S2, S3> S4, S5, S6, S7, S8)、8 個續流二極管(D1^D2, D3、D4、D5、D6、D7、D8)四個反向并聯的鉗位二極管(VD1、VD2、VD3> VD4)，直流電源El、E2先串聯，再與發射橋路并聯，每個橋臂有兩個可控開關IGBT和兩個續流二極管D組成:第一橋臂中S1與D1并聯，S2與D2并聯，然后兩者再串聯；第二橋臂中S3與D3并聯，S4與D4并聯，然后兩者再串聯；第三橋臂中S5與D5并聯，S6與D6并聯，然后兩者再串聯；第四橋臂中S7與D7并聯，S8與D8并聯，然后兩者再串聯；N點就是直流電源的電壓中點，四個鉗位二極管(Vd)分別連接電源中點和橋臂中點:VD1連接第一橋臂的中點與電源中點；VD2連接第二橋臂的中點與電源中點；VD3連接第三橋臂的中點與電源中點；VD4連接第四橋臂的中點與電源中點。第一與第二橋臂連接點為A，第三與第四橋臂連接點為B，A、B兩點作為發射橋路的輸出端，引出導線，連接大地負載。 R是大地等效電阻，L是接地電線的等效電感。
3.按照權利要求1所述的多電平高壓電性源電磁法發射電路，其特征在于，負載電壓上升沿分為兩個部分:S1、S2、S7先導通，其余IGBT關斷，此時，直流電源El的電壓E/2加在輸出端AB之間，電流經與第一個電源El形成回路；在經過短暫時間后，S1、S2、S7、S8導通，其余IGBT關斷，此時，直流電源E1、E2的電壓之和E加在輸出端AB之間，電流經Sp S2, R、L、S7, S8與兩個電源形成回路。即負載電壓是有O電平變先為E/2電平，再由E/2電平變為E電平。
4.按照權利要求1所述的多電平高壓電性源電磁法發射電路，其特征在于，負載電壓下降沿分為兩個部分持導通，其余IGBT關斷，此時，直流電源El的電壓E/2加在輸出端AB之間，電流經S1、S2、R、L、S7、VD4與第一個電源E1形成回路，即負載電壓是有E電平變先為E/2電平；經過短暫時間后，所有IGBT均關斷，此時負載電壓是O，即負載電壓由E/2電平變為O電平。
【文檔編號】H02M7/487GK103973147SQ201410239784
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月31日 優先權日:2014年5月31日
【發明者】于生寶, 李剛, 賈少華, 高明亮, 朱宇, 蘇發, 孫長玉, 何建龍, 王爽, 鄭建波 申請人:吉林大學