多个功率开关器件串联的桥式高压地下电磁场发射装置制造方法
【专利摘要】本发明提供多个功率开关器件串联实现的高压地下电磁场发射装置，其由发电装置、变压整流装置、大功率电磁发射机、发射电缆、假负载、发射电极A和B等部件集合而成，各个部件间协同作业，实现了在陆地发射高压地下大功率可控源电磁波。该设备与传统的人工电磁激励场源相比，具有激发电压更高、野外施工受地域局限性更小、揭示地下介质电性结构更加明显等的优势，因此将进一步为地下蕴藏的诸如金属矿、石油等电性异常体探测提供准确详实的科学数据。
【专利说明】多个功率开关器件串联的桥式高压地下电磁场发射装置
【技术领域】:
[0001]本发明属于地球物理勘探领域，具体涉及地球物理勘探设备，为一种多个功率开关器件串联的桥式高压地下电磁场发射装置，其适用于陆地人工电磁场发射的装置，以研究地下具有电性异常特征的矿产资源分布情况。
【背景技术】:
[0002]电磁学方法能够用于探测陆地矿产资源，是基于所探矿物与围岩的电学性质差异。当包含矿产资源的地层受到外界电磁波激发时，将产生综合的电磁感应，感应信号中携带着地下资源分布的电阻率、产状、规模、埋深、电导率等物性信息。利用在地面布放的电磁接收机对此类信号进行探测，采用现代数字信号处理方法对探测到的感应信号进行反演与成像等处理，就可推断出地下矿产资源的分布规律，为圈定资源开采靶区提供科学依据。以上提到的外界电磁波激发场源分为可控源和被动源。被动源为天然激发场源，即电磁波能量来自电离层；可控源为人工场源，即以人工发射的电磁波激发所探测区域，可有效提高信号接收的信噪比，利于电磁异常的发现。
[0003]目前，在某些山地或干旱地带进行人工源电磁法勘探时，由于接地电阻较大(在Ikm供电极距情况下，发射电极间的接地电阻一般在lkQ2左右)和激励电压有限(功率开关器件标称耐压一般为3300V，但是实际使用过程中供电电压不会超过1200V)，人工源向地下激发的电流较小(仅有IA左右)，对接收的信噪比改善不明显。
[0004]具体地，主要有以下技术难点:
[0005]1、高压逆变技术。目前低压(电压从0V-1200V)逆变已是成熟的技术，利用集成电子电力开关器件(绝缘栅型场效应管IGBT或智能功率模块IPM)搭建H桥式驱动电路即可完成直流电压到交流电压的转换，但是高压逆变存在诸多技术瓶颈，例如没有现成的高压电力电子器件(耐压超过6500V的功率开关器件)；并且多管串联时，由于主回路电压过高，极易造成开关器件被击穿而失效。
[0006]2、高压保护技术。在进行高压逆变时，主回路中的供电电压最高可至4800V，尖峰脉冲可能高至10000V，极易造成人员和设备伤害，因此，完善设备过流过压过热保护和防止漏电等功能，是此类装备必须解决的技术难题。
[0007]3、多管开关同步技术。进行高压发射的串联开关管在被延时开启时，开关管将面临击穿的危险。
[0008]上述技术问题都是利用高压电压建立人工电磁激励场源所面临的特殊问题。
【发明内容】
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[0009]为了解决现有技术中存在的技术难题，本发明围绕高电阻率地区供电难的问题展开研究，为了能在陆地建立有效的电磁激励场源，攻克一系列技术难题，并将各项技术有机结合在一起实现了自主创新，设计了一种在高电阻率地区向大地供入一定电流的激励装置，即多个功率开关器件串联的桥式高压地下电磁场发射装置。[0010]本发明提供的一种多个功率开关器件串联的桥式高压地下电磁场发射装置，主要包括发电装置、变压整流装置、大功率电磁发射机、发射电缆、发射电极A和发射电极B以及假负载等部件，各部件的具体作用如下:
[0011]发电装置，与变压整流装置和大功率电磁发射机相连，为整个发明装置提供大功率电能支持；
[0012]变压整流装置，与发电装置和大功率电磁发射机相连，将发电装置输出的三相或单相工业交流电升压转换为可调输出的高压直流电(正极为P，负极为N)，并输送给大功率电磁发射机；
[0013]大功率电磁发射机,与发电装置、变压整流装置、发射电缆和假负载相连,该发射机为本发明装置的核心，有如下三种主要功能:1、将发电装置输出的交流电转换为内部低压控制电路所需的电能；2、将变压整流装置输出的高压直流转换为交流逆变矩形波，通过发射电缆和发射电极输送至大地负载，作为人工电磁激励场源；3、将维持发电装置转速平衡的电能通过端口 A'和端口 B'输送至假负载；
[0014]发射电缆,与大功率电磁发射机和发射电极相连,将大功率电磁发射机通过端口 A和B输出的逆变矩形波传送至发射电极A和发射电极B，发射电缆为高耐压等级的订制电缆，长度视陆地勘探深度而定；
[0015]发射电极A和发射电极B，其为与发射电缆相连的金属电极，例如铝箔、铜棒或铜板等，其将发射电缆输送来的逆变矩形波转化为人工激励场源。
[0016]优选地，大功率电磁发射机包括发射机主控单元、辅助逻辑控制单元、光纤信号传输及隔离驱动单元、高压逆变单元、控制电路电源单元、发射机仪器框架和辅助信息测量单元等。其中，发射机主控单元，基于嵌入式电路软硬件，实现陆地人工源电磁发射装置的总体控制；辅助逻辑控制单元，辅助发射机主控单元完成部分逻辑控制功能；光纤信号传输及隔离驱动单元，为保证功率开关器件能够同时通断，利用光纤来传输控制信号以达到缩短控制延迟的目的，而且利用光纤可有效降低外界噪声对控制信号的干扰，另外，低压控制信号必须经过隔离驱动单元的转换，才能控制功率开关器件；高压逆变单元，其用于将变压整流源输入的高压直流逆变为交流矩形波，本单元采用低饱和压降的IGBT为基本功率开关器件；控制电路电源单元，将发电装置输出的交流电转换为大功率电磁发射机控制电路所需要低压直流电；发射机仪器框架，是大功率电磁发射机的硬件平台，用于承载各个电路部件；辅助信息测量单元，在发射机主控单元的控制下，实现辅助信息的测量；
[0017]优选地，逻辑辅助控制单元包括GPS对钟模块、同步控制模块、输出互锁模块、死区时间产生模块和波形合成模块等。GPS对钟模块，利用GPS电路获取与电磁接收机共同的参考时间基准PPS，并利用时钟稳定度为10_8s / s(周期稳定度的单位，秒每秒，即I秒中变化的量10_8S)的高精度温度补偿晶振构造同步触发脉冲RTC_PPS ;同步控制模块，利用GPS对钟模块输出的RTC_PPS信号作为发射机发射的触发信号，与布放在地面的电磁接收机保持时间同步，便于提取发射波形的相位信息；输出互锁模块，在某一确定时间仅开启一路开关，而且该路控制信号会将另外一路控制信号锁存在不使能的状态；死区时间产生模块，为保护功率开关器件不因短路而损坏，对于上下路的控制信号之间要人为添加停止的时间；波形合成模块，用于形成功率开关器件的驱动控制波形，共产生了三路功率开关控制信号，标号为 AB'、BA'、Br'；[0018]优选地,光纤信号传输及隔离驱动单兀包括三个独立的光纤信号传输单兀1、光纤信号传输单元2、光纤信号传输单元3和三个独立的隔离驱动单元1、隔离驱动单元2、隔离驱动单元3 ;由逻辑控制单元输出的控制信号AB'经过光纤信号传输单元I和隔离驱动单元I之后，变换为控制信号AB，从而传送给高压逆变单元中相应的IGBT模块；由逻辑控制单元输出的控制信号BA'经过光纤信号传输单元2和隔离驱动单元2之后，变换为控制信号BA，从而传送给高压逆变单元中相应的IGBT模块；由逻辑控制单元输出的控制信号Br'经过光纤信号传输单元3和隔离驱动单元3之后，变换为控制信号Br，从而传送给高压逆变单元中相应的IGBT模块；
[0019]优选地，高压逆变单元包括10个IGBT模块(其中每两个IGBT模块串联组成一个H型逆变桥路的一个臂，每个IGBT模块的最大输出电流为20A，标称耐压为6500V，串联后耐压值13000V，工作于发射电压5000V左右、发射电流不超过IOA的场合；另外，一个臂也可以采用更多的IGBT模块串联，比如4个3300V耐压的IGBT串联或8个1700V耐压的IGBT串联或10个1200V耐压的IGBT串联，从而达到单个桥臂总耐压值达10000V以上的目的；现在以两个IGBT模块串联为例进行本发明的阐述)、5组吸收缓冲电路、电流传感器、电压传感器、散热模块和保护模块等；10个IGBT单元中的8个组成H桥逆变发射电路，每2个IGBT串联为H桥的一个臂，即IGBTl和IGBT2串联为上左桥臂、IGBT3和IGBT4串联为下左桥臂、IGBT5和IGBT6串联为上右桥臂、IGBI7和IGBT8串联为下右桥臂，剩余2个组成假负载回路，即IGBT9和IGBTlO串联为假负载回路的功率开关，用以平衡发电装置的转速；其中 IGBTl、IGBT2、IGBT7、IGBT8 共用同一驱动信号 AB, IGBT3、IGBT4、IGBT5、IGBT6 共用同一驱动信号BA，IGBT9、IGBTlO共用同一驱动信号Br ;上述每个桥臂都有对应的吸收缓冲电路，用以吸收和缓冲电路逆变过程中的电压或电流尖峰脉冲；电流传感器，用于测量发射逆变矩形波的发射电流；电压传感器，用于测量发射逆变矩形波的发射电压；散热模块，通过风冷模块和水冷模块将所述IGBT模块工作过程中产生的热量传导出去；保护模块，监测高压逆变电路中的漏电、过压、过流、过热、驱动电压过低等工作状况，一旦发生异常，及时触发自动保护电路并通过声光电等报警讯息通知仪器操作人员，保护人员和设备的安全；
[0020]优选地，辅助信息测量单元包括发射电压监测电路、发射电流监测电路、散热片温度监测电路、驱动电压监测电路、漏电监测电路等部件；发射电压监测电路，用于测量电压传感器输出的信号，监测发射电压的幅值；发射电流监测电路，用于测量电流传感器输出的信号，监测发射电流的幅值；散热片温度监测电路，用于测量散热模块基板的温度，防止散热模块温度过热；驱动电压监测电路，用于测量隔离驱动电路的驱动电压，防止驱动电压过低而导致IGBT在工作过程中被击穿；漏电监测电路，用于实时测量高压逆变单元中的漏电情况，一旦发现漏电立即启动保护电路。
[0021]由于采用以上技术方案，本发明多个功率开关器件串联的桥式高压地下电磁场发射装置与传统的人工电磁激励场源相比，发射电压更高，具有更高的接收信号信噪比，同时野外施工受地域局限性也大大减小，揭示地下介质电性结构的优势明显，因此将进一步为地下蕴藏的诸如金属矿、石油等电性异常体探测提供准确详实的科学数据。
【专利附图】
【附图说明】
[0022]根据结合附图的本实施例的下面说明，本发明的这些和/或其他方面和优点将变得清楚且更容易理解，其中附图:
[0023]图1为依据本发明的多个功率开关器件串联的桥式高压地下电磁场发射装置的高压电磁发射系统原理框图；
[0024]图2为依据本发明的大功率电磁发射机原理框图；
[0025]图3为依据本发明的辅助逻辑控制单元原理框图；
[0026]图4为依据本发明的光纤信号传输及隔离驱动单元原理框图；
[0027]图5为依据本发明的高压逆变单元原理框图；
[0028]图6为依据本发明的辅助信息测量单元原理框图。
[0029]附图中标记的文字说明:
[0030]GPS全球卫星定位系统；
[0031 ] IGBT绝缘栅型场效应管；
[0032]GPIO通用输入输入接口。
[0033]附图1中，I表示发电装置,2表示变压整流装置，3表示大功率电磁发射机，4表示发射电缆，5表发射电极A, 6表发射电极B, 7表假负载。
[0034]附图2中，3表示大功率电磁发射机(既在附图1中的3的详细图解)，31表示发射机主控单元，32表示辅助逻辑控制单元，33表示光纤信号传输及隔离驱动单元，34表示高压逆变单元，35表示控制电路电源单元,36表示发射机仪器框架,37表示辅助信息测量单元。
[0035]附图3中，31表示发射机主控单元(既附图2中的31的详细图解)，32表示辅助逻辑控制单元，321表示GPS对钟模块，322表示同步控制模块，323表示输出互锁模块，324表示死区时间产生模块，325表示波形合成模块，33表示光纤信号传输及驱动隔离单元。
[0036]附图4中，32表示逻辑控制单元(既附图2中的32的详细图解)，33表示光纤信号传输及驱动隔离单兀，331表不光纤信号传输单兀1，332表不隔离驱动单兀I, 333表不光纤信号传输单兀2, 334表不隔离驱动单兀2, 335表不光纤信号传输单兀3, 336表不隔离驱动单元3, 34表示高压逆变单元。
[0037]附图5中，33表示光纤信号传输及驱动隔离单元(既附图2中的33的详细图解)，34表示高压逆变单元(既附图2中的34的详细图解)，341表示IGBT1，342表示IGBT2，343 表示 IGBT3, 344 表示 IGBT4, 345 表示 IGBT5, 346 表示 IGBT6, 347 表示 IGBT7, 348 表示IGBT8，349表示IGBT9，3410表示IGBT10，3411表示吸收缓冲电路，3412表示电流传感器，3413表不电压传感器,3414表不散热模块,3415表不自动保护模块，7表不假负载。
[0038]附图6中，36表示辅助信息测量单元(既附图2中的36的详细图解)，361表示发射电压监测电路，362表示发射电流监测电路，363表示散热片温度监测电路，364表示驱动电压监测电路，365表示漏电监测电路。
[0039]具体实施方法:
[0040]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0041]依据本发明所述的多个功率开关器件串联的桥式高压地下电磁场发射装置，利用功率开关器件串联产生高压逆变矩形波，对陆地以下被探测目标体进行激励，通过布放在地面的接收机测取其电磁感应信号，从而获得地面以下深层纵向及横向介质的电性结构信息，揭示电性异常体的分布规律。
[0042]本发明采用的技术方案为一种利用多个功率开关器件串联实现的桥式高压人工电磁场发射装置，其包括发电装置、变压整流装置、大功率电磁发射机、发射电缆、发射电极A和发射电极B以及假负载等部件。
[0043]其中发电装置，与所述变压整流装置和所述大功率电磁发射机相连，为整个发明装置提供大功率电能支持；
[0044]变压整流装置，与所述发电装置和所述大功率电磁发射机相连，将所述发电装置输出的三相或单相工业交流电升压转换为可调输出的高压直流电(正极为P，负极为N)，并输送给所述大功率电磁发射机；
[0045]大功率电磁发射机,与所述发电装置、变压整流装置、发射电缆和假负载相连,该大功率电磁发射机为本发明装置的核心，有如下三种主要功能:1、将所述发电装置输出的交流电转换为内部低压控制电路所需的电能；2、将所述变压整流装置输出的高压直流转换为交流逆变矩形波，通过所述发射电缆和所述发射电极A和发射电极B输送至大地负载，作为人工电磁激励场源；3、将维持所述发电装置转速平衡的电能通过端口 A'和端口 B'输送至所述假负载；
[0046]发射电缆，与所述大功率电磁发射机、所述发射电极A和发射电极B相连，将所述大功率电磁发射机通过端口 A和发射电极B输出的逆变矩形波传送至所述发射电极A和发射电极B，所述发射电缆为高耐压等级的订制电缆，长度视陆地勘探深度而定；
[0047]发射电极A和发射电极B，与所述发射电缆相连，其为铝箔、铜棒或铜板等金属电极，将所述发射电缆输送来的逆变矩形波转化为人工激励场源。
[0048]所述大功率电磁发射机包括发射机主控单兀、辅助逻辑控制单兀、光纤信号传输及隔离驱动单元、高压逆变单元、控制电路电源单元、发射机仪器框架和辅助信息测量单元
坐寸o
[0049]其中，所述发射机主控单元，基于嵌入式电路软硬件，实现陆地人工源电磁发射装置的总体控制；所述辅助逻辑控制单元，辅助所述发射机主控单元完成部分逻辑控制功能；所述光纤信号传输及隔离驱动单元，为保证功率开关器件能够同时通断，利用光纤来传输控制信号以达到缩短控制延迟的目的，而且利用光纤可有效降低外界噪声对控制信号的干扰，另外，低压控制信号必须经过隔离驱动单元的转换，才能控制功率开关器件；所述高压逆变单元，其用于所述将变压整流装置输入的高压直流逆变为交流矩形波，本单元采用低饱和压降的IGBT为基本功率开关器件；所述控制电路电源单元，将所述发电装置输出的交流电转换为所述大功率电磁发射机控制电路所需要低压直流电；所述发射机仪器框架，是所述大功率电磁发射机的硬件平台，用于承载各个电路部件；所述辅助信息测量单元，在所述发射机主控单元的控制下，实现辅助信息的测量。
[0050]所述逻辑辅助控制单元包括GPS对钟模块、同步控制模块、输出互锁模块、死区时间产生模块和波形合成模块等。所述GPS对钟模块，利用GPS电路获取与电磁接收机共同的参考时间基准PPS，并利用时钟稳定度为10_8s / s(周期稳定度的单位，秒每秒，即I秒中变化的量10_8S)的高精度温度补偿晶振构造同步触发脉冲RTC_PPS ;所述同步控制模块，利用所述GPS对钟模块输出的RTC_PPS信号作为所述大功率电磁发射机发射的触发信号，与布放在地面的电磁接收机保持时间同步，便于提取发射波形的相位信息；所述输出互锁模块，在某一确定时间仅开启一路开关，而且该路控制信号会将另外一路控制信号锁存在不使能的状态；所述死区时间产生模块，为保护功率开关器件不因短路而损坏，对于上下路的控制信号之间要人为添加停止的时间；所述波形合成模块，用于形成功率开关器件的驱动控制波形，共产生了三路功率开关控制信号，标号为AB'、BA'、Br'；
[0051]所述光纤信号传输及隔离驱动单元包括三个独立的光纤信号传输单元1、光纤信号传输单元2、光纤信号传输单元3和三个独立的隔离驱动单元1、隔离驱动单元2、隔离驱动单元3 ；由所述逻辑控制单元输出的控制信号AB'经过所述光纤信号传输单元I和所述隔离驱动单元I之后，变换为控制信号AB，从而传送给所述高压逆变单元中相应的IGBT模块；由所述逻辑控制单元输出的控制信号BA'经过所述光纤信号传输单元2和所述隔离驱动单元2之后，变换为控制信号BA，从而传送给所述高压逆变单元中相应的IGBT模块；由所述逻辑控制单元输出的控制信号Br'经过所述光纤信号传输单元3和所述隔离驱动单元3之后，变换为控制信号Br，从而传送给所述高压逆变单元中相应的IGBT模块。
[0052]所述高压逆变单元包括10个IGBT模块(其中每两个IGBT模块串联组成一个H型逆变桥路的一个臂，每个IGBT模块的最大输出电流为20A，标称耐压为6500V，串联后耐压值13000V，工作于发射电压5000V左右、发射电流不超过IOA的场合；另外，一个臂也可以采用更多的IGBT模块串联，比如8个1700V耐压的IGBT串联或10个1200V耐压的IGBT串联，从而达到单个桥臂总耐压值达10000V以上的目的；现在以两个IGBT模块串联为例进行本发明的阐述)、5组吸收缓冲电路、电流传感器、电压传感器、散热模块和自动保护模块等；每2个IGBT串联为H桥的一个臂，即IGBTl和IGBT2串联为上左桥臂、IGBT3和IGBT4串联为下左桥臂、IGBT5和IGBT6串联为上右桥臂、IGBI7和IGBT8串联为下右桥臂，剩余2个组成假负载回路，即IGBT9和IGBTlO串联为假负载回路的功率开关，用以平衡所述发电装置的转速；其中 IGBTl、IGBT2、IGBI7、IGBT8 共用同一驱动信号 AB，IGBT3、IGBT4、IGBT5、IGBT6共用同一驱动信号BA，IGBT9、IGBTlO共用同一驱动信号Br ;上述每个桥臂都有对应的所述吸收缓冲电路，用以吸收和缓冲电路逆变过程中的电压或电流尖峰脉冲；所述电流传感器，用于测量发射逆变矩形波的发射电流；所述电压传感器，用于测量发射逆变矩形波的发射电压；所述散热模块，通过风冷模块和水冷模块将所述IGBT模块工作过程中产生的热量传导出去；所述自动保护模块，监测高压逆变电路中的漏电、过压、过流、过热、驱动电压过低等工作状况，一旦发生异常，及时触发自动保护电路并通过声光电等报警讯息通知仪器操作人员，保护人员和设备的安全。
[0053]所述辅助信息测量单元包括发射电压监测电路、发射电流监测电路、散热片温度监测电路、驱动电压监测电路、漏电监测电路等部件。所述发射电压监测电路，用于测量所述电压传感器输出的信号，监测发射电压的幅值；所述发射电流监测电路，用于测量所述电流传感器输出的信号，监测发射电流的幅值；所述散热片温度监测电路，用于测量散热模块基板的温度，防止散热模块温度过热；所述驱动电压监测电路，用于所述测量隔离驱动单元的驱动电压，防止驱动电压过低而导致IGBT在工作过程中被击穿；所述漏电监测电路，用于实时测量所述高压逆变单元中的漏电情况，一旦发现漏电立即启动所述自动保护模块。
[0054]为了更进一步详细说明本发明的技术方案，下面结合附图对本发明的结构原理和构成部分进行具体描述。但是本领域技术人员应当清楚，下面对各相应部分的解释和说明仅仅是示例性的；不应当将本发明限制到具体实施例，本领域技术人员也可以经过创造性劳动，通过其他途径来实现本发明的技术方案。
[0055]参见图1，图1为依据本发明的多个功率开关器件串联的桥式高压地下电磁场发射装置，即陆地人工源高压电磁发射系统原理框图。本发明是多个功率开关器件串联的桥式高压地下电磁场发射装置，主要包括发电装置1、变压整流装置2、大功率电磁发射机3、发射电缆4、发射电极A5、发射电极B6、以及假负载7等部件。发电装置1，与所述变压整流装置2和所述大功率电磁发射机3相连，为整个发明装置提供大功率电能支持；变压整流装置2，与所述发电装置I和所述大功率电磁发射机3相连，将所述发电装置I输出的三相或单相工业交流电升压转换为可调输出的高压直流电(正极为P，负极为N)，并输送给所述大功率电磁发射机3 ;大功率电磁发射机3，与所述发电装置1、变压整流装置2、发射电缆4和假负载7相连，该大功率电磁发射机为本发明装置的核心，有如下三种主要功能:1、将所述发电装置I输出的交流电转换为内部低压控制电路所需的电能；2、将所述变压整流装置2输出的高压直流转换为交流逆变矩形波，通过所述发射电缆4和所述发射电极A4和发射电极B5输送至大地负载，作为人工电磁激励场源；3、将维持所述发电装置I转速平衡的电能通过端口 k'和端口 B'输送至所述假负载7 ;发射电缆4，与所述大功率电磁发射机3、所述发射电极A4和发射电极B5相连，将所述大功率电磁发射机3通过端口 A和B输出的逆变矩形波传送至所述发射电极A4和发射电极B5，所述发射电缆4为高耐压等级的订制电缆，长度视陆地勘探深度而定；发射电极A和发射电极B，与所述发射电缆4相连，其为铝箔、铜棒或铜板等金属电极，将所述发射电缆4输送来的逆变矩形波转化为人工激励场源。
[0056]参见图2，图2为依据本发明的大功率电磁发射机原理框图；所述大功率电磁发射机3包括发射机主控单元31、辅助逻辑控制单元32、光纤信号传输及隔离驱动单元33、高压逆变单元34、控制电路电源单元35、发射机仪器框架36和辅助信息测量单元37等。其中，所述发射机主控单元31，基于嵌入式电路软硬件，实现陆地人工源电磁发射装置的总体控制；所述辅助逻辑控制单元32，辅助所述发射机主控单元31完成部分逻辑控制功能；所述光纤信号传输及隔离驱动单元33，为保证功率开关器件能够同时通断，利用光纤来传输控制信号以达到缩短控制延迟的目的，而且利用光纤可有效降低外界噪声对控制信号的干扰，另外，低压控制信号必须经过隔离驱动单元的转换，才能控制功率开关器件；所述高压逆变单元34，其用于将所述变压整流装置2输入的高压直流逆变为交流矩形波，本单元采用低饱和压降的IGBT为基本功率开关器件；所述控制电路电源单元35，将所述发电装置I输出的交流电转换为所述大功率电磁发射机3控制电路所需要低压直流电；所述发射机仪器框架36，是所述大功率电磁发射机3的硬件平台，用于承载各个电路部件；所述辅助信息测量单元，在所述发射机主控单元31的控制下，实现辅助信息的测量。
[0057]参见图3，图3为依据本发明的辅助逻辑控制单元原理框图；所述逻辑辅助控制单元32包括GPS对钟模块321、同步控制模块322、输出互锁模块323、死区时间产生模块324和波形合成模块325等。所述GPS对钟模块321，利用GPS电路获取与电磁接收机共同的参考时间基准PPS，并利用时钟稳定度为KT8S / s(周期稳定度的单位，秒每秒，即I秒中变化的量10_8S)的高精度温度补偿晶振构造同步触发脉冲RTC_PPS ;所述同步控制模块322，利用所述GPS对钟模块321输出的RTC_PPS信号作为所述大功率电磁发射机3发射的触发信号，与布放在地面的电磁接收机保持时间同步，便于提取发射波形的相位信息；所述输出互锁模块323，在某一确定时间仅开启一路开关，而且该路控制信号会将另外一路控制信号锁存在不使能的状态；所述死区时间产生模块324，为保护功率开关器件不因短路而损坏，对于上下路的控制信号之间要人为添加停止的时间；所述波形合成模块325，用于形成功率开关器件的驱动控制波形，共产生了三路功率开关控制信号，标号为AB'、BA'、Br'；
[0058]参见图4，图4为依据本发明的光纤信号传输及隔离驱动单元原理框图；所述光纤信号传输及隔离驱动单元33包括三个独立的光纤信号传输单元1331、光纤信号传输单元2333、光纤信号传输单元3335和三个独立的隔离驱动单元隔离驱动单元1332、隔离驱动单元2334、隔离驱动单元3336 ;由所述逻辑控制单元32输出的控制信号AB'经过所述光纤信号传输单元1331和所述隔离驱动单元1332之后，变换为控制信号AB，从而传送给所述高压逆变单元34中相应的IGBT模块；由所述逻辑控制单元32输出的控制信号BA'经过所述光纤信号传输单元2333和所述隔离驱动单元2334之后，变换为控制信号BA，从而传送给所述高压逆变单元34中相应的IGBT模块；由所述逻辑控制单元32输出的控制信号Br'经过所述光纤信号传输单元3335和所述隔离驱动单元3336之后，变换为控制信号Br，从而传送给所述高压逆变单元34中相应的IGBT模块。
[0059]参见图5，图5为依据本发明的高压逆变单元原理框图；所述高压逆变单元34包括10个(IGBTI?IGBT10) IGBT模块、5组吸收缓冲电路3411、电流传感器3412、电压传感器3413、散热模块3414和自动保护模块3415等；所述10个IGBT单元中的8个组成H桥逆变发射电路，每2个IGBT串联为H桥的一个臂，即IGBT1341和IGBT2342串联为上左桥臂、IGBT3343和IGBT4344串联为下左桥臂、IGBT5345和IGBT6346串联为上右桥臂、IGBT7347和IGBT8348串联为下右桥臂，剩余2个组成假负载回路，即IGBT9349和IGBT103410串联为假负载回路的功率开关，用以平衡所述发电装置I的转速；其中IGBT1341、IGBT2342、IGBI7347、IGBT8348 共用同一驱动信号 AB，IGBT3343、IGBT4344、IGBT5345、IGBT6346 共用同一驱动信号BA，IGBT9349、IGBT103410共用同一驱动信号Br ;上述每个桥臂都有对应的所述吸收缓冲电路3411，用以吸收和缓冲电路逆变过程中的电压或电流尖峰脉冲；所述电流传感器3412，用于测量发射逆变矩形波的发射电流；所述电压传感器3413，用于测量发射逆变矩形波的发射电压；所述散热模块3414，通过风冷模块和水冷模块将所述IGBT模块工作过程中产生的热量传导出去；所述自动保护模块3415，监测高压逆变电路中的漏电、过压、过流、过热、驱动电压过低等工作状况，一旦发生异常，及时触发自动保护电路并通过声光电等报警讯息通知仪器操作人员，保护人员和设备的安全。
[0060]参见图6，图6为依据本发明的辅助信息测量单元原理框图。所述辅助信息测量单元36包括发射电压监测电路361、发射电流监测电路362、散热片温度监测电路363、驱动电压监测电路364、漏电监测电路365等部件。所述发射电压监测电路361，用于测量所述电压传感器3413输出的信号，监测发射电压的幅值；所述发射电流监测电路362，用于测量所述电流传感器3412输出的信号，监测发射电流的幅值；所述散热片温度监测电路363，用于测量散热模块基板的温度，防止散热模块温度过热；所述驱动电压监测电路364，用于测量所述隔离驱动单元(332、334、336)的驱动电压，防止驱动电压过低而导致IGBT在工作过程中被击穿；所述漏电监测电路365，用于实时测量所述高压逆变单元34中的漏电情况，一旦发现漏电立即启动所述自动保护模块3415。[0061]如上所述，已经清楚详细地描述了本发明提出的技术方案。尽管本发明的优选实施例详细描述并解释了本发明，但是本领域普通的技术人员可以理解，在不背离所附权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下，可以在形式和细节中做出多种修改。
【权利要求】
1.多个功率开关器件串联的桥式高压地下电磁场发射装置，主要包括发电装置、变压整流装置、大功率电磁发射机、发射电缆、发射电极A和发射电极B以及假负载,其特征在于: 发电装置，与变压整流装置和大功率电磁发射机相连，为整个发明装置提供大功率电能支持； 变压整流装置，与发电装置和大功率电磁发射机相连，将发电装置输出的三相或单相工业交流电升压转换为可调输出的高压直流电(正极为P，负极为N)，并将可调输出的高压直流电输送给大功率电磁发射机； 大功率电磁发射机，与发电装置、变压整流装置、发射电缆和假负载相连，该大功率电磁发射机为本发明装置的核心，有如下三种主要功能:(I)将发电装置输出的交流电转换为内部低压控制电路所需的电能；(2)将变压整流装置输出的高压直流转换为交流逆变矩形波，通过发射电缆和发射电极A和发射电极B输送至大地负载，作为人工电磁激励场源；(3)将维持发电装置转速平衡的电能通过端口 A'和端口 B'输送至假负载； 发射电缆，与大功率电磁发射机、发射电极A和发射电极B相连,将大功率电磁发射机通过端口 A和发射电极B输出的逆变矩形波传送至发射电极A和发射电极B，发射电缆为高耐压等级的订制电缆，长度视陆地勘探深度而定； 发射电极A和发射电极B，其均为与发射电缆相连的金属电极，将发射电缆输送来的逆变矩形波转化为人工激励场源。
2.如权利要求1所述的装置，其中金属电极为铝箔、铜棒或铜板。
3.如权利要求1所`述的装置，其中大功率电磁发射机包括: 发射机主控单元，该发射机主控单元基于嵌入式电路软硬件实现陆地人工源电磁发射装置的总体控制； 辅助逻辑控制单元，辅助发射机主控单元完成部分逻辑控制功能； 光纤信号传输及隔离驱动单元，为保证功率逆变开关能够同时通断，利用光纤来传输控制信号以达到缩短控制延迟的目的，而且利用光纤能够有效降低外界噪声对控制信号的干扰；其中低压控制信号必须经过光纤信号传输及隔离驱动单元的转换，才能控制功率逆变开关； 高压逆变单元，其用于将变压整流源输入的高压直流逆变为交流矩形波，高压逆变单元采用低饱和压降的IGBT为基本功率逆变开关器件； 控制电路电源单元，将发电装置输出的交流电转换为大功率电磁发射机控制电路所需要低压直流电； 发射机仪器框架，是大功率电磁发射机的硬件平台，用于承载各个电路部件； 辅助信息测量单元，在发射机主控单元的控制下，实现辅助信息的测量。
4.如权利要求1所述的装置，其中逻辑辅助控制单元包括: GPS对钟模块，利用GPS电路获取与电磁接收机共同的参考时间基准PPS，并利用时钟稳定度为10_8s / s (周期稳定度的单位，秒每秒，即I秒中变化的量10_8s)的高精度温度补偿晶振构造同步触发脉冲RTC_PPS ； 同步控制模块，利用GPS对钟模块输出的RTC_PPS信号作为大功率电磁发射机发射的触发信号，与布放在地面的电磁接收机保持时间同步，便于提取发射波形的相位信息；输出互锁模块，在某一确定时间仅开启一路开关，而且该路控制信号会将另外一路控制信号锁存在不使能的状态； 死区时间产生模块，为保护功率逆变开关器件不因短路而损坏，对于上下路的控制信号之间要人为添加停止的时间； 波形合成模块，用于形成功率逆变开关器件的驱动控制波形，共产生了三路功率开关控制信号，三路功率开关控制信号标号分别为AB'、BA'、Br'。
5.如权利要求1所述的装置，其中光纤信号传输及隔离驱动单元包括三个独立的光纤信号传输单元1、光纤信号传输单元2、光纤信号传输单元3和三个独立的隔离驱动单元1、隔离驱动单元2、隔离驱动单元3，其中: 由逻辑控制单元输出的控制信号AB'经过光纤信号传输单元I和隔离驱动单元I之后，变换为控制信号AB，从而传送给高压逆变单元中相应的IGBT模块；由逻辑控制单元输出的控制信号BA'经过光纤信号传输单元2和隔离驱动单元2之后，变换为控制信号BA，从而传送给高压逆变单元中相应的IGBT模块；由逻辑控制单元输出的控制信号Br'经过光纤信号传输单元3和隔离驱动单元3之后，变换为控制信号Br，从而传送给高压逆变单元中相应的IGBT模块。
6.如权利要求1所述的装置，其中高压逆变单元包括10个IGBT模块、吸收缓冲电路、电流传感器、电压传感器、散热模块和自动保护模块，每两个IGBT模块串联组成一个H型逆变桥路的一个臂，每个IGBT模块的最大输出电流为20A，标称耐压为6500V，串联后耐压值13000V，工作于发射电压5000V左右、发射电流不超过IOA的场合； 10个IGBT单元中的8个组成H桥逆变发射电路，每2个IGBT串联为H桥的一个臂，即IGBTl和IGBT2串联为 上左桥臂、IGBT3和IGBT4串联为下左桥臂、IGBT5和IGBT6串联为上右桥臂、IGBI7和IGBT8串联为下右桥臂，剩余2个组成假负载回路，即IGBT9和IGBTlO串联为假负载回路的功率开关，用以平衡发电装置的转速；其中IGBTl、IGBT2、IGBI7、IGBT8共用同一驱动信号AB，IGBT3、IGBT4、IGBT5、IGBT6共用同一驱动信号BA，IGBT9、IGBTlO共用同一驱动信号Br ； 上述H型逆变桥路的每个臂的桥臂都有对应的吸收缓冲电路，用以吸收和缓冲电路逆变过程中的电压或电流尖峰脉冲； 电流传感器，用于测量发射逆变矩形波的发射电流； 电压传感器，用于测量发射逆变矩形波的发射电压； 散热模块，通过风冷模块和水冷模块将IGBT模块工作过程中产生的热量传导出去； 自动保护模块，监测高压逆变电路中的漏电、过压、过流、过热、驱动电压过低的工作状况。
7.如权利要求3所述的装置，其中高压逆变单元包括10个IGBT模块、吸收缓冲电路、电流传感器、电压传感器、散热模块和自动保护模块；4个3300V耐压的IGBT串联或8个1700V耐压的IGBT串联或10个1200V耐压的IGBT串联组成一个H型逆变桥路的一个桥臂，从而达到单个桥臂总耐压值达10000V以上的目的，其中: 上述桥臂都有对应的吸收缓冲电路，用以吸收和缓冲电路逆变过程中的电压或电流尖峰脉冲； 电流传感器，用于测量发射逆变矩形波的发射电流；电压传感器，用于测量发射逆变矩形波的发射电压； 散热模块，通过风冷模块和水冷模块将IGBT模块工作过程中产生的热量传导出去； 自动保护模块，监测高压逆变电路中的漏电、过压、过流、过热、驱动电压过低的工作状况。
8.如权利要求3所述的装置，其中辅助信息测量单元包括发射电压监测电路、发射电流监测电路、散热片温度监测电路、驱动电压监测电路和漏电监测电路，其中: 发射电压监测电路，用于测量电压传感器输出的信号，监测发射电压的幅值； 发射电流监测电路，用于测量电流传感器输出的信号，监测发射电流的幅值； 散热片温度监测电路，用于测量散热模炔基板的温度，防止散热模块温度过热；驱动电压监测电路，用于测量隔离驱动单元的驱动电压，防止驱动电压过低而导致IGBT在工作过程中被击穿； 漏电监测电路，用 于实时测量高压逆变单元中的漏电情况，一旦发现漏电立即启动自动保护模块。
【文档编号】G01V3/08GK103684033SQ201310424743
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年9月18日 优先权日:2013年9月18日
【发明者】王猛, 邓明, 魏文博, 陈凯, 张启升, 金胜, 景建恩, 叶高峰 申请人:中国地质大学（北京）