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] 本发明涉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，其供电方式大多以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M0SFET和IGBT。其中IGBT可承受电压较高，但关断时间较M0SFET管长，主 要在高电压、大功率、低频率的电性源探测上应用；而M0SFET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，所以其主要应用于低电压、大电流、高频 率的磁性源探测中。而在尚电压尚频率领域广生尚深度尚精度的探测，是目如瞬变电磁探 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，所以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，所以 难以得到广泛推广。
[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，其采用的三电平发射方案在钳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
【发明内容】
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 可以保持高电压的输出，解决了钳位二极管上分布电压问题。
[0007] 本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
[0008] 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三项可控整流电 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Ερ E2,E3, E4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 (Sp S2、S3、S4、S5、S6、S 7、Ss、S9、S10、Sn、S 12、S13、S14、 S15、S16)、16 个续流二极管（VD!、VD2、VD3、VD4、VD5、VD 6、VD7、VDS、VD9、VD1Q、VD n、VD12、VD13、 VD14、VD15、VD16)，22 个反向并联钳位二极管仇、D2、D3、D4、D5、D 6、D7、Ds、D9、D1q、D n、D12、D13、 D14、D15、D16、D17、D18、D 19、D2。、D21、D22)组成。
[0011] 电源E1、E2、E3、E4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M0SFET与四个反向续流二极管VD组成：第一桥臂中 31与VD i并联，S 2与VD 2并联，S 3与VD 3并联，S 4与VD 4并联，然后四者依次串联组成第一桥 臂，其中31与S 2连接点记为F ^ 52与S 3连接点记为F 2, 53与S 4连接点记为F 3;第二桥臂中 55与VD 5并联，S 6与VD 6并联，S 7与VD 7并联，S 8与VD s并联，然后四者依次串联组成第二桥 臂，其中35与S 6连接点记为F 4, 56与S 7连接点记为F 5, 57与S s连接点记为F 6;第三桥臂中 &与VD 9并联，S i。与VD i。并联，S ^与VD ^并联，S 12与VD 12并联，然后四者依次串联组成第 三桥臂，其中39与S i。连接点记为F 7, Si。与S η连接点记为F 8, Sn与S 12连接点记为F 9;第四 桥臂中S13与VD 13并联，S 14与VD 14并联，S 15与VD 15并联，S 16与VD 16并联，然后四者依次串 联组成第四桥臂，其中其中S13与S 14连接点记为F 1(]，S14与S 15连接点记为F n，S15与S 16连 接点记为f12。
[0012] 电源电源Ερ E2、E3、E4其电压值相同，均为E，按照顺序依次串联。其中E i的正极 记为0。，E# E 2的连接点记为0 p E# E 3的连接点记为0 2, E# E 4的连接点记为0 3, 负极记为〇4。钳位二极管Di、D2、D3、D4、D 5、队按顺序反向串联后并联于F 1与F 6两端，其中 D# D 2的连接点记为Μ p 02与D 3的连接点记为Μ 2,03与D 4的连接点记为Μ 3,04与D 5的连接 点记为Μ4, 05与D 6的连接点记为Μ 6。钳位二极管D7、Ds、D9、Di。按顺序反向串联后并联于F 2 与F5两端，其中D 7与D s的连接点记为Μ 6, 08与D 9的连接点记为Μ 7, 09与D i。的连接点记为 Ms。钳位二极管Dn、D12按顺序反向串联后并联于F 3与F 4两端，D n与D 12的连接点记为Μ 9。
[0013] 钳位二极管D13、D14、D15、D 16、D17、D1S按顺序反向串联后并联于F 7与F 12两端，其中 D13与D 14的连接点记为M 1Q，D14与D 15的连接点记为M n，D15与D 16的连接点记为Μ 12, D16与D 17的连接点记为M13, D17与D 18的连接点记为Μ 14。钳位二极管D19、D2。、D21、D 22按顺序反向串联 后并联于F# F n两端，其中D 19与D 2。的连接点记为Μ 15, D2。与D 21的连接点记为Μ 16, D21与 D22的连接点记为Μ 17。钳位二极管D23、D24按顺序反向串联后并联于F 9与F i。两端，D 23与D 24的连接点记为M1S。
[0014] 上述各个部分的连接方式如下 114均通过导线直接连接。1与16、14与18、1 7与19均通过导线直接连接。111与115、113与 Μ17，Μ16与Μ 18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Α。第三桥臂 与第四桥臂串联，其连接点为Β。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Α，Β之间
[0015] R是大地等效电阻，L是接地导线的等效电感。
[0016] 选取E# Ε 3连接点的0 2作为0电位点，则0。电位为2Ε，0 i电位为Ε，0 3电位为-Ε， 〇4电位为-2E。
[0017] 在此种多电平控制策略中，AB两点间共存在九种电压值。
[0018] (1)第一桥臂与第二桥臂上S3、S4、S5、S 6开通，S p S2、S7、Ss关断，A点电位经路线 D3、D7、S3、SjP D 4、D1Q、S5、&与0 2点连接，其电位为0电位；第三桥臂与第四桥臂上S n、S12、 513、 S14开通，S 9、S1Q、S15、S16关断，B点电位亦为0,此时AB间电压为0。
[0019] (2)第一桥臂与第二桥臂上S2、S3、S4、S 5开通，S p S6、S7、Ss关断，经路线D p S2、S3、 SJP D 2, Ds，D12, S5，使A点电位与h相同，其电位为E ;第三桥臂与第四桥臂上S n、S12、S13、 S14开通，S 9、S1(]、S15、S16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S2、S3、S4、S 5开通，S p S6、S7、Ss关断，A点电位为E。第 三桥臂与第四桥臂上s12、S13、S14、S15开通，S 9、S1(]、Sn、S16关断，经路线D 17、D21、D23、s12和s 13、 514、 S15、Dls，使B点取得与03点相同的-E电位。此时AB间电压为2E。
[0021] (4)第一桥臂与第二桥臂上 S2、S3、S4开通，S 5、S6、S7、Ss关断，A 点经 S p S2、S3、 S4连接与0。点取得相同的电位2E。第三桥臂与第四桥臂上S 12、S13、S14、S15开通，S 9、S1Q、Sn、 S16关断，B点电位为-E。此时AB间电压为3E。
[0022]