瞬变电磁法电性源五电平发射电路的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型设及一种瞬变电磁中的电法探测仪器，尤其是高电压高频率的大功率 电法探测仪器的发射电路。
【背景技术】
[0002] 瞬变电磁探测的原理是通过通过电性源或者磁性源在大地中形成变化的磁场，通 过该变化的磁场感应出的二次场来计算地下介质的电阻率等参数，来达到确定地下结构的 目的。瞬变电磁探测的深度一般与发射信号的强度呈正相关，发射电压越高，其探测深度越 深。而其探测精度与发射信号的频率呈正相关，发射信号频率越强，其探测出的地质结构越 精确。
[0003] 在目前的瞬变电磁探测仪器中，其供电方式大多W直流电源逆变产生的双极性方 波作为输入信号，通过其产生的变化的磁场或者电场来激发二次场的产生。其逆变电路的 主要器件选用MOSFET和IGBT。其中IGBT可承受电压较高，但关断时间较MOSFET管长，主要在 高电压、大功率、低频率的电性源探测上应用；而MOSFET管可承受电压较IGBT低，但相较于 IGBT，M0SFET管在关断时间上有明显的优势，所W其主要应用于低电压、大电流、高频率的 磁性源探测中。而在高电压高频率领域产生高深度高精度的探测，是目前瞬变电磁探测仪 器的难点。
[0004] 目前在电力电子技术中采用的功率元件串联使用，由于其很难保证各串联的功率 器件上的电压平衡，更容易导致器件的损坏，所W很难在造价较高的探测仪器中应用。而最 近提出的功率元件串联使用移相控制技术，由于其主电路复杂，要实现主电源的接入与分 级，在探测仪器上应用会很大程度上增加其体积，而且在操作环境恶劣时稳定性较差，所W 难W得到广泛推广。
[0005] CN103973147A公开了一种"多电平高压电性源电磁发射电路"其采用较为简单的 多电平控制策略有效的将IGBT上的电压降为直流母线电压的二分之一，在升压方面取得了 明显的效果;但与电性源探测高达1500V甚至2000V的电压相比，其减半后开关器件的频率 仍然未有明显提升。同时，其采用的=电平发射方案在错位二极管的分压问题上未能很好 解决，不利于具体实施方案中器件的选择与应用。
【发明内容】
[0006] 本实用新型是针对上述现有技术的不足，提供一种在时间域与频率域同时适用的 高电压高频率瞬变电磁法电性源五电平发射电路。主要特性在于电路的输出频率很高使仍 然可W保持高电压的输出，解决了错位二极管上分布电压问题。
[0007] 本实用新型的目的是通过W下技术方案实现的：
[000引瞬变电磁法电性源五电平发射电路，是由控制及其保护电路经=项可控整流电 路、DC/DC和五电平发射桥路与大地负载连接，五电平发射桥路经驱动及其保护电路、合成 电路和分频电路与基准频率产生电路连接，合成电路分别与上升沿控制电路、下降沿控制 电路、平顶控制电路和同步电路连接构成。
[0009] 五电平高压高频电磁法发射电路，该电路输出在单极性上分为五个电平，四个相 同的直流电压61，62,63,64通过多电平回路连接到大地负载。
[0010] 五电平发射桥路由 16 个 MOSFET(Si、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、Si〇、Si1、Si2、Si3、Si4、 S化、Si6)、16个续流二极管（VDi、VD2、VD3、VD4、VD己、VDs、VD?、VDs、VD9、VDiO、VDii、VDi2、VDi3、VDm、 VDi 日、VDi6)，22 个反向并联错位二极管（Di、D2、D3、D4、D5、D6、D7、D8、D9、Dio、Dii、Di2、Di3、Di4、Di5、 Di6、Di7、Di8、Di9、D20、D21、D22)组成。
[00川电源61、62、63、64先串联，然后再与五电平发射桥路并联。多电平发射桥路分为四 个桥臂，每个桥臂分为四个开关器件MOSFET与四个反向续流二极管VD组成:第一桥臂中Si 与VDi并联，S2与VD2并联，S3与VD3并联，S4与VD4并联，然后四者依次串联组成第一桥臂，其中 Si与S2连接点记为Fi，S2与S3连接点记为F2，S3与S4连接点记为的;第二桥臂中Ss与VDs并联，Ss 与VDs并联，S7与VD?并联，Ss与VDs并联，然后四者依次串联组成第二桥臂，其中Ss与S6连接点 记为F4，Ss与S7连接点记为Fs，S7与Ss连接点记为Fs;第立桥臂中S9与VD9并联，Sio与VDio并联， Sii与VDii并联，Si2与VDu并联，然后四者依次串联组成第立桥臂，其中S9与Si痛接点记为F?， Sio与Sii连接点记为Fs，Sii与Si2连接点记为的;第四桥臂中Si3与VDu并联，Si4与VDi4并联，Sis 与VDis并联，Si6与VDis并联，然后四者依次串联组成第四桥臂，其中其中Si3与Si4连接点记为 Fio，Si4与Sis连接点记为Fii，Sis与Si6连接点记为Fi2。
[001 ^ 电源电源Ei、E2、E3、E4其电压值相同，均为E，按照顺序依次串联。其中Ei的正极记为 0o，Ei与E2的连接点记为化瓜与E3的连接点记为化，E3与E4的连接点记为化，E4的负极记为化。 错位二极管化、02、03、04、05、0娘顺序反向串联后并联于。1与。6两端，其中化与化的连接点记 为Ml, D2与化的连接点记为M2, D3与04的连接点记为M3, EU与化的连接点记为M4, Ds与化的连接 点记为M6。错位二极管化、D8、D9、Di娘顺序反向串联后并联于F2与Fs两端，其中化与化的连接 点记为M6，D8与D9的连接点记为M7，D9与Dio的连接点记为Ms。错位二极管Dii、Di浪顺序反向串 联后并联于的与F4两端，Dll与化2的连接点记为M9。
[OOU] 错位二极管〇13、〇14、〇15、〇16、〇17、〇18按顺序反向串联后并联于尸7与尸12两端，其中〇13 与Di4的连接点记为Mi〇，Di4与Dl日的连接点记为111，〇1日与〇16的连接点记为112,〇16与〇17的连接 点记为Mi3，Di7与Dis的连接点记为Mi4。错位二极管〇19、〇20、〇21、〇2淑顺序反向串联后并联于尸8 与Fll两端，其中Di9与〇20的连接点记为Mi5，D20与〇21的连接点记为Mi6，D21与〇22的连接点记为 Mi7。错位二极管〇23、〇24按顺序反向串联后并联于F9与FlO两端，〇23与〇24的连接点记为Mi8。
[0014] 上述各个部分的连接方式如下：〇1与Ml、0l与Mio、〇2与M3、02与化2、〇3与Ms、〇3与Mi4均 通过导线直接连接。M2与M6、M4与Ms、M7与M9均通过导线直接连接。Mll与Mi5、Mi3与Mi7，Mi6与MlS 均通过直导线直接连接。第一桥臂与第二桥臂串联，其连接点为A。第=桥臂与第四桥臂串 联，其连接点为B。该两部分串联结构并联后与电源相并联，组成五电平发射回路。大地负载 接在A，B之间
[00巧]R是大地等效电阻，L是接地导线的等效电感。
[0016] 选取E2与E3连接点的化作为0电位点，则Oo电位为2E，0i电位为E，化电位为-E，04电 位为-沈。
[0017] 在此种多电平控审赚略中，AB两点间共存在九种电压值。
[001引 （1)第一桥臂与第二桥臂上S3、S4、Ss、Ss开通，Si、S2、S7、Ss关断，A点电位经路线化、 07、S3、S4和D4、Dio、S日、Se与02点连接，其电位为O电位;第；桥臂与第四桥臂上Sll、Sl2、Sl3、Sl4 开通，S9、Sio、Si5、Si6关断，B点电位亦为O，此时AB间电压为O。
[0019] (2)第一桥臂与第二桥臂上 52、53、54、55开通，51、56、57、58关断，经路线〇1、52、53、54 和〇2，Ds，Di2，S日，使A点电位与Oi相同，其电位为E;第；桥臂与第四桥臂上Sii、Si2、Si3、Si4开 通，S9、Sio、Si5、Si6关断，B点电位仍为0。此时AB间电压为E。
[0020] (3)第一桥臂与第二桥臂上52、53、54、5巧通，51、56、57、58关断，4点电位为6。第立桥 臂与第四桥臂上512、513、514、51日开通，59、510、511、516关断，经路线1)17、1)21、1)23、512和513、514、 Si5、Di8,使B点取得与03点相同的-E电位。此时AB间电压为沈。
[002。 （ 4)第一桥臂与第二桥臂上 Si、S2、S3、S4 开通，Ss、Ss、S7、Ss 关断，A点经Si、S2、S3、S4 连 接与00点取得相同的电位26。第二桥臂与第四桥臂上512、513、514、515开通，59、510、511、516关 断，B点电位为-E。此时AB间电压为3E。
[00剖 （5)第一桥臂与第二桥臂上Si、S2、S3、S4开通，Ss、Ss、S7、Ss关断，A点经Si、S2、S3、S4连 接与Oo点取得相同的电位沈。第；桥