CN103973147A - 多电平高压电性源电磁发射电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多电平高压电性源电磁发射电路，该电路采用多电平输出，是由两个电压相同的直流电源E₁和E₂通过发射桥路(H桥式逆变电路)连接大地负载。高压电性源电磁法发射桥路主要包括8个IGBT、8个续流二极管、四个反向并联的钳位二极管和两个电源。与现有技术相比，每个功率器件仅承受1/2的母线电压，采用低耐压的器件实现高压大功率输出，节约了成本；低压IGBT模块可以工作在较高的开关频率，发热问题较容易解决，发射电路满足频域电磁法发射10kHz左右电流波形的要求，克服高压IGBT发热问题。

Description

多电平高压电性源电磁发射电路

技术领域

本发明涉及一种地球物理探测中的电法探测仪器，尤其是适用于各种电法仪器的大功率高压逆变发射装置。

背景技术

电性源电磁法仪器通常采用H桥路作为发射装置的功率变换主回路，以有限长接地导线为场源向地下供以脉冲电流,在地下建立起一次脉冲磁场,在一次磁场间歇期间,在距场源中心一定距离处同时观测感应的二次电、磁场参数。由于该法早期信号反映浅部地电特征,晚期信号反映较深部地电断面,这就可以达到测深的目的。负载由大地和导线组成，则负载可以等效为电阻与电感的串联电路。发射机电流与探测深度成正比，因此希望发射电流越大越好，实际上就是希望发射电压越大越好。现有技术普遍采用提高供电电压，如美国Zonge公司的GPD32-II型多功能电法工作站发射机参数1000V，45A；加拿大凤凰公司的V8多功能电法探测仪发射机最大为1000V，40A。但是这种控制技术增加了功率变换电路产生电磁干扰的强度，并且增大了桥路开关器件的开关损耗。目前电路常采用桥路开关器件是IGBT，其高压模块有3300V、4500V、6500V，在输出桥路的设计中，由于工艺、分布参数以及安全性的影响，一般工作电压选择额定值的二分之一到二分之一，可以满足1500V左右电压的要求。如果想提高电压到2000V或者2500V，但由于大功率发射对功率器件的性能要求很高，大功率器件的价格又非常昂贵，同时如果功率器件长时间承受高电斥其稳定性也相应降低，因此利用现有的单管桥路作为发射装置很难实现高压发射的目的。

目前多采用的办法就是功率器件的串联使用，将所要发射的电压平均分配到串联的功率器件上，这样就减小了每个功率器件的上的电压，实现高压发射的目的，但是这种方法存在的问题是功率器件的均压很复杂，很难保证串联的功率器件之间的电压平衡，从而更容易导致器件的损坏。

近年来提出了功率器件串联移相控制技术，通过对主电源分级，对各级电源移相控制，实现主电源的分级接入和撤离，解决主电路中功率器件的动态均压问题，但是这种控制技术增加了主控电路的复杂性；增加了主电源的级数；增加了移相控制电路和移相控制的功率器件。同时由于电源分级加入，对输出的波形也有一定的影响，在负载端得到的电压波形在上升和下降时呈现阶梯状。因此功率器件的串联使用很难得以广泛应用。

发明内容

本发明的目的就是针对上述现有技术的不足，提供一种既适用于时域又适用于频域的发射要求的多电平高压电性源电磁发射电路。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

多电平高压电性源电磁法发射电路，该电路采用多电平输出，是由两个电压相同的直流电源E₁和E₂通过发射桥路连接大地负载。

发射桥路是由8个IGBT(S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆、S₇、S₈)、8个续流二极管(D₁、D₂、D₃、D₄、D₅、D₆、D₇、D₈)四个反向并联的钳位二极管(V_D1、V_D2、V_D3、V_D4),直流电源E1、E2先串联，再与发射桥路并联，每个桥臂有两个可控开关IGBT和两个续流二极管D组成：第一桥臂中S₁与D₁并联，S₂与D₂并联，然后两者再串联；第二桥臂中S₃与D₃并联，S₄与D₄并联，然后两者再串联；第三桥臂中S₅与D₅并联，S₆与D₆并联，然后两者再串联；第四桥臂中S₇与D₇并联，S₈与D₈并联，然后两者再串联；N点就是直流电源的电压中点，四个钳位二极管(V_D)分别连接电源中点和桥臂中点：V_D1连接第一桥臂的中点与电源中点；V_D2连接第二桥臂的中点与电源中点；V_D3连接第三桥臂的中点与电源中点；V_D4连接第四桥臂的中点与电源中点。第一与第二桥臂连接点为A，第三与第四桥臂连接点为B，A、B两点作为发射桥路的输出端，引出导线，连接大地负载。

R是大地等效电阻，L是接地电线的等效电感。

负载电压上升沿分为两个部分：S₁、S₂、S₇先导通，其余IGBT关断，此时，直流电源E1的电压E/2加在输出端AB之间,电流经S₁、S₂、R、L、S₇、V_D4与第一个电源E1形成回路；在经过短暂时间后，S₁、S₂、S₇、S₈导通，其余IGBT关断，此时，直流电源E1、E2的电压之和E加在输出端AB之间，电流经S₁、S₂、R、L、S₇、S₈与两个电源形成回路。即负载电压是有0电平变先为E/2电平，再由E/2电平变为E电平。

负载电压下降沿分为两个部分:S₁、S₂、S₇保持导通，其余IGBT关断，此时，直流电源E1的电压E/2加在输出端AB之间,电流经S₁、S₂、R、L、S₇、V_D4与第一个电源E1形成回路，即负载电压是有E电平变先为E/2电平；经过短暂时间后，所有IGBT均关断，此时负载电压是0,即负载电压由E/2电平变为0电平。

有益效果：每个功率器件仅承受1/2的母线电压，所以可以用低耐压的器件实现高压大功率输出，节约了成本；低压IGBT模块可以工作在较高的开关频率，发热问题较容易解决，发射电路满足频域电磁法发射10kHz左右电流波形的要求，克服高压IGBT发热问题。

附图说明：

附图1：为多电平高压电性源电磁发射电路框架图

附图2：为附图1中发射桥路拓扑图

附图3：驱动信号及输出波形图

附图4：表1发射机输出电压与开关状态之间的关系(0表示关闭，1表示导通)

具体实施方式：

下面接附图和实施例作进一步的详细说明：

多电平高压电性源电磁法发射电路，该电路采用多电平输出，是由两个电压相同的直流电源E₁和E₂通过发射桥路连接大地负载。

发射桥路是由8个IGBT(S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆、S₇、S₈)、8个续流二极管(D₁、D₂、D₃、D₄、D₅、D₆、D₇、D₈)四个反向并联的钳位二极管(V_D1、V_D2、V_D3、V_D4),直流电源E1、E2先串联，再与发射桥路并联，每个桥臂有两个可控开关IGBT和两个续流二极管D组成：第一桥臂中S₁与D₁并联，S₂与D₂并联，然后两者再串联；第二桥臂中S₃与D₃并联，S₄与D₄并联，然后两者再串联；第三桥臂中S₅与D₅并联，S₆与D₆并联，然后两者再串联；第四桥臂中S₇与D₇并联，S₈与D₈并联，然后两者再串联；N点就是直流电源的电压中点，四个钳位二极管(V_D)分别连接电源中点和桥臂中点：V_D1连接第一桥臂的中点与电源中点；V_D2连接第二桥臂的中点与电源中点；V_D3连接第三桥臂的中点与电源中点；V_D4连接第四桥臂的中点与电源中点。第一与第二桥臂连接点为A，第三与第四桥臂连接点为B，A、B两点作为发射桥路的输出端，引出导线，连接大地负载。

R是大地等效电阻，L是接地电线的等效电感。

负载电压上升沿分为两个部分：S₁、S₂、S₇先导通，其余IGBT关断，此时，直流电源E1的电压E/2加在输出端AB之间,电流经S₁、S₂、R、L、S₇、V_D4与第一个电源E1形成回路；在经过短暂时间后，S₁、S₂、S₇、S₈导通，其余IGBT关断，此时，直流电源E1、E2的电压之和E加在输出端AB之间，电流经S₁、S₂、R、L、S₇、S₈与两个电源形成回路。即负载电压是有0电平变先为E/2电平，再由E/2电平变为E电平。

负载电压下降沿分为两个部分:S₁、S₂、S₇保持导通，其余IGBT关断，此时，直流电源E1的电压E/2加在输出端AB之间,电流经S₁、S₂、R、L、S₇、V_D4与第一个电源E1形成回路，即负载电压是有E电平变先为E/2电平；经过短暂时间后，所有IGBT均关断，此时负载电压是0,即负载电压由E/2电平变为0电平。

本发明提出的高压电性源电磁法发射机系统框图如图1所示，主要包括发电机、直流电源、发射桥路组成。一般为了降低成本和系统的复杂程度，选用常见的三相交流柴油发电机，输出电源的频率为50Hz，电压为380V，通过整流器，直流/直流变换器(DC/DC)，产生需要的稳定直流电压或者电流。发射桥路主要是给负载提供双极性的稳定电压或者电流，以满足电磁探测的一次场形成的要求。

本发明提出的多电平发射电路拓扑结构如图2所示，主要包括8个IGBT(S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8)、8个续流二极管(D1、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8)四个反向并联的钳位二极管(VD1、VD2、VD3、VD4),两个电源E1、E2，负载R、L。其基本连接框架是两个电压相同的直流电源E1、E2先串联，再与发射桥路并联。发射桥路由四个桥臂构成，每个桥臂有两个可控开关器件(IGBT)、两个续流二极管(D)组成：第一桥臂中S1与D1并联，S2与D2并联，然后两者再串联；第二桥臂中S3与D3并联，S4与D4并联，然后两者再串联；第三桥臂中S5与D5并联，S6与D6并联，然后两者再串联；第四桥臂中S7与D7并联，S8与D8并联，然后两者再串联。因为两个直流电源E1、E2电压相同，所以N点就是直流电源的电压中点，四个钳位二极管(VD)分别连接电源中点和桥臂中点：VD1连接第一桥臂的中点与电源中点；VD2连接第二桥臂的中点与电源中点；VD3连接第三桥臂的中点与电源中点；VD4连接第四桥臂的中点与电源中点。第一与第二桥臂连接点为A，第三与第四桥臂连接点为B，A、B两点作为发射桥路的输出端，引出导线，连接大地负载(R是大地等效电阻，L是接地电线的等效电感)。

多电平高压电性源电磁法发射机可以用于时间域电磁法和频域电磁法，多电平发射电路的控制方式如图4所示，其基本步骤包括：

对于时间域电磁法来说:

(1)在0-T/4时间段内，其中T为发射电流波形的周期，S₁-S₈截止，输出端AB之间电压UAB为0，输出电流IAB为0。

(2)在T/4-t₁时间段内，S₁、S₂、S₇导通，其余IGBT关断，此时，直流电源E1的电压E/2加在输出端AB之间。电流经S₁、S₂、R、L、S₇、V_D4与第一个电源E1形成回路，实质上就是直流电源对感性负载充电过程，负载电压电流可由式1所示：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{AB}}\left(t\right)=\frac{E}{2}\\ I_{\mathrm{AB}}\left(t\right)=\frac{E}{2R}{e}^{\frac{R}{L}t}\end{array}\right.---\left(1\right)$

(3)在t₁-t₂时间段内，S₁、S₂、S₇、S₈导通，其余IGBT关断，此时，直流电源E1、E2的电压之和E加在输出端AB之间。电流经S₁、S₂、R、L、S₇、S₈与两个电源形成回路，实质上还是直流电源对感性负载充电过程，负载电压电流可由式2所示：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{AB}}\left(t\right)=E\\ I_{\mathrm{AB}}\left(t\right)=\frac{E}{2R}{e}^{-\frac{R}{L}(t+t_1-\frac{T}{4})}+\frac{E}{R}(1-e^{-\frac{R}{L}t})\end{array}\right.----\left(2\right)$

(4)由于时域工作频率都比较低，工作周期T＞＞τ，因此在负载电压U_AB下降时刻t₂负载电流I_AB＝E/R。在t₂-T/2时间段内，电流经S₁、S₂、R、L、S₇、V_D4与第一个电源形成回路，等效电路模型还是直流电源对感性负载的充电过程，根据三要素法，负载电压电流可由式3所示：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{AB}}\left(t\right)=\frac{E}{2}\\ I_{\mathrm{AB}}\left(t\right)=\frac{E}{2R}(1+e^{-\frac{R}{L}t})\end{array}\right.---\left(3\right)$

(5)在T/2—3T/4时间段内，所有开关均关闭。负载电流经二极管D₃、D₄、D₅、D₆续流，对两个电源反向充电，直至负载电流为零。在反向充电时间段内，负载电压电流如式4所示：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{AB}}\left(t\right)=-E\\ I_{\mathrm{AB}}\left(t\right)=\frac{E}{2R}(1+e^{-\frac{R}{L}(\frac{T}{2}-t_2)+\frac{E}{R}(e^{-\frac{R}{L}t}-1)})\end{array}\right.---\left(4\right)$

(6)从T/4-3T/4时间段内，负载电流经历了一个正向的上升、保持平顶、下降为零的过程；在3T/4-5T/4时间段内，负载电流是一个反向的充电并放电的过程，与正向充、放电过程一样，在此不再详述。

对于频率域电磁法来说:

(1)在0-t₁时间段内，S₁、S₂、S₇导通，其余IGBT关断，此时，直流电源E1的电压E/2加在输出端AB之间。电流经S₁、S₂、R、L、S₇、V_D4与第一个电源形成回路，实质上就是直流电源对感性负载充电过程，负载电压电流可由式5所示：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{AB}}\left(t\right)=\frac{E}{2}\\ I_{\mathrm{AB}}\left(t\right)=\frac{E}{2R}{e}^{\frac{R}{L}t}\end{array}\right.---\left(5\right)$

(2)在t₁-t₂时间段内，S₁、S₂、S₇、S₈导通，其余IGBT关断，此时，直流电源E1、E2的电压之和E加在输出端AB之间。电流经S₁、S₂、R、L、S₇、S₈与两个电源形成回路，实质上还是直流电源对感性负载充电过程，负载电压电流可由式6所示：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{AB}}\left(t\right)=E\\ I_{\mathrm{AB}}\left(t\right)=\frac{E}{2R}{e}^{-\frac{R}{L}(t+t_2)}+\frac{E}{R}(1-e^{-\frac{R}{L}t})\end{array}\right.---\left(6\right)$

(3)在t₂-T/2时间段内，电流经S₁、S₂、R、L、S₇、V_D4与第一个电源E1形成回路，等效电路模型还是直流电源对感性负载的充电过程，根据三要素法，负载电压电流可由式7所示：

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{\mathrm{AB}}\left(t\right)=\frac{E}{2}\\ I_{\mathrm{AB}}\left(t\right)=\frac{E}{2R}(1+e^{-\frac{R}{L}t})\end{array}\right.---\left(7\right)$

(4)在0-T/2时间段内，是对负载的正向充电过程，而在T/2-T时间段内，是对负载的反向充电过程。与正向充电模型相似，不再详述。

多电平高压电性源电磁法发射机开关状态如表1所示：发射机输出共有5个电平，分别是0电平、E/2电平、E电平、-E/2电平和-E电平。当主开关全部关闭时，发射机输出为0电平；当仅有主开关S₁、S₂、S₇导通时，发射机输出为E/2电平；当仅有主开关S₁、S₂、S₇、S₈导通时，发射机输出为E电平；当仅有主开关S₃、S₅、S₆导通时，发射机输出为-E/2电平；当仅有主开关S₃、S₄、S₅、S₆导通时，发射机输出为-E电平。

Claims (4)

1.一种多电平高压电性源电磁法发射电路，其特征在于，该电路采用多电平输出，是由两个电压相同的直流电源E₁和E₂通过发射桥路(H桥式逆变电路)连接大地负载。

2.按照权利要求1所述的多电平高压电性源电磁法发射电路，其特征在于，发射桥路是由8个IGBT(S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆、S₇、S₈)、8个续流二极管(D₁、D₂、D₃、D₄、D₅、D₆、D₇、D₈)四个反向并联的钳位二极管(V_D1、V_D2、V_D3、V_D4),直流电源E1、E2先串联，再与发射桥路并联，每个桥臂有两个可控开关IGBT和两个续流二极管D组成：第一桥臂中S₁与D₁并联，S₂与D₂并联，然后两者再串联；第二桥臂中S₃与D₃并联，S₄与D₄并联，然后两者再串联；第三桥臂中S₅与D₅并联，S₆与D₆并联，然后两者再串联；第四桥臂中S₇与D₇并联，S₈与D₈并联，然后两者再串联；N点就是直流电源的电压中点，四个钳位二极管(V_D)分别连接电源中点和桥臂中点：V_D1连接第一桥臂的中点与电源中点；V_D2连接第二桥臂的中点与电源中点；V_D3连接第三桥臂的中点与电源中点；V_D4连接第四桥臂的中点与电源中点。第一与第二桥臂连接点为A，第三与第四桥臂连接点为B，A、B两点作为发射桥路的输出端，引出导线，连接大地负载。

R是大地等效电阻，L是接地电线的等效电感。

3.按照权利要求1所述的多电平高压电性源电磁法发射电路，其特征在于，负载电压上升沿分为两个部分：S₁、S₂、S₇先导通，其余IGBT关断，此时，直流电源E1的电压E/2加在输出端AB之间,电流经S₁、S₂、R、L、S₇、V_D4与第一个电源E1形成回路；在经过短暂时间后，S₁、S₂、S₇、S₈导通，其余IGBT关断，此时，直流电源E1、E2的电压之和E加在输出端AB之间，电流经S₁、S₂、R、L、S₇、S₈与两个电源形成回路。即负载电压是有0电平变先为E/2电平，再由E/2电平变为E电平。

4.按照权利要求1所述的多电平高压电性源电磁法发射电路，其特征在于，负载电压下降沿分为两个部分:S₁、S₂、S₇保持导通，其余IGBT关断，此时，直流电源E1的电压E/2加在输出端AB之间,电流经S₁、S₂、R、L、S₇、V_D4与第一个电源E1形成回路，即负载电压是有E电平变先为E/2电平；经过短暂时间后，所有IGBT均关断，此时负载电压是0,即负载电压由E/2电平变为0电平。