电磁场发射机及其零电压切换软开关系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种电磁场发射机，特别涉及一种大功率电磁场发射机，进一步涉及 用于该大功率电磁场发射机的零电压切换软开关系统。
【背景技术】
[0002] 地球物理人工源电磁场勘探，首先需要依靠发射机向地下发射电磁场信号。
[0003] 提高电磁发射机的输出功率在一定程度上可以增大勘探深度，输出功率越大，同 等灵敏度的接收机，接收到的深部感应信号越强。而发射机的输出功率的增大必然导致功 率开关管承受的电压、电流增大，若仅使用普通的脉宽调制技术，不但会导致开关损耗的大 幅增加，而且会使器件所承受的电压应力、电流应力大大增加，严重会烧毁器件。同时，不同 的地质条件有不同的导电率，电磁发射机还要具备宽动态的工作范围，即能够在不同地质 条件下，从陆地表层到深层均能够有效探测。针对面前面临的实际需求，要求发射机开关的 功耗小，可抑制了过高的电压、电流尖峰，切换动态范围小。
[0004] 目前，电磁发射机的主流结构是采用两级逆变，第一级为功率输出部分，其本质为 一个大功率开关电源。第二级为信号输出部分。在现有技术中，发射机系统的整体结构通常 如附图1所示，其主要由7个部分组成，分别是：1三相380V发电机组；2三相半控整流桥;3第 一级逆变桥;4高频变压器;5高频整流桥;6LC滤波电路;7第二级逆变桥。系统的输入电压为 三相380V交流电，通过三相半控整流桥后，将交流电转变成530V直流电，然后经过第一级逆 变桥逆变后，直流电又转换成20KHz的高频交流方波，该方波信号通过高频变压器升压、高 频整流桥整流，LC滤波后，转换成高压直流信号，最后经过第二级逆变桥产生不同频率的方 波信号对大地负载发射。
[0005] CN103308950A公开了一种多功能的电磁发射仪，包括系统控制单元、波形合成及 保护单元、功率驱动电路、H桥电路、发射单元、显示单元、同步模块和存储单元，系统控制单 元含有微控制器，波形合成及保护单元含有现场可编程门阵列(FPGA)，四个功率M0SFET管 组成H桥发射电路，A/D采集单元由霍尔电压传感器和微控制器内部A/D组成，显示单元由电 阻式触摸屏组成。本发明用微控制器和FPGA实现了多种波形的产生，波形数据在SD卡中可 任意修改与添加，电流值数据存储在U盘内及实时在触摸屏上显示。
[0006] CN202798170U公开了一种瞬变电磁发射装置和使用该瞬变电磁发射装置的瞬变 电磁发射系统，该瞬变电磁发射装置包括全桥开关电路和光耦隔离输出电路，所述全桥开 关电路包括有时序信号输入端和负载接入端，所述光耦隔离输出电路包括受控信号输入端 和时序信号输出端，所述时序信号输出端与时序信号输入端连接。
[0007] CN202631750U公开了一种用于地质勘探的瞬变电磁发射装置，包括发射天线和用 于组成桥臂的开关，其特征在于所述发射天线由小电感量发射天线和大电感量发射天线组 成，所述开关有三组，其中一组是公共组，三组开关与小电感量发射天线和大电感量发射天 线分别组成全桥发射电路。
[0008] CN204906195U公开了 一种电磁发射机，所述电磁发射机包括:发电机组，三相整流 桥、滤波电容、一级逆变桥、谐振电感、隔值电容、高频变压器、高频整流桥、LC滤波电路以及 二级逆变桥;其中，所述发电机组与所述三相整流桥连接，用于输出交流电到所述三相整流 桥;所述三相整流桥的输出端与所述滤波电容连接，用于将输入的三相交流电整流后形成 直流电输出到所述滤波电容，所述滤波电容的输出端与所述一级逆变桥连接，用于将接收 的直流电进行滤波后输出到所述一级逆变桥，所述一级逆变桥的输出端与所述高频变压器 的原边连接，用于将接收到的滤波后的直流电逆变产生交流方波并输出到所述高频变压器 的原边;所述高频变压器的副边与所述高频整流桥连接，用于将接收的交流方波升压后输 出到所述高频整流桥，所述高频整流桥的输出端与所述LC滤波电路连接，用于将所述升压 后的交流方波整流形成直流方波，所述LC滤波电路与所述二级逆变桥连接，用于将接收的 直流方波滤波形成直流电，所述二级逆变桥将接收的直流电进行逆变后产生不同的方波并 输出到输出端口；所述谐振电感与所述隔值电容串联在所述一级逆变桥与所述高频变压器 的原边之间的线路上，所述一级逆变桥的每个功率器件上并联有滤波电容，所述滤波电容、 谐振电感与隔值电容形成谐振回路，用于控制所述一级逆变桥;所述电磁发射机还包括与 所述一级逆变桥的滞后桥臂并联的辅助电流源网络，用于调节所述一级逆变桥的滞后桥臂 在开通和关断过程中的电压。
[0009] CN1445915A公开了一种用于动车组的软开关隔离变换器，用于隔离变压的开关变 压器的次级经整流器件直接连至输出滤波电容上，在常规的高频开关变换器的拓扑结构 中，用可控恒流源作功率开关，通过这样的电路结构的简化，提供一种没有输入、输出扼流 电感的软开关隔离变换器，在启动过程中、稳态工作时和负载短路保护时都不对输入电压 源等产生冲击电流，而且输出整流器件、可控恒流源中的功率管都是软开关，从而降低开关 损耗和电磁干扰。
[0010] 本领域技术人员知晓的是，提高电磁发射机功率是增大人工源电磁法勘探深度有 效算途径之一，但是发射机的输出功率的增大必然使功率开关管承受的电压、电流增大，会 导致开关损耗的大幅增加。在上述文献和其它现有技术中，都没有同时很好解决的大功率 电磁发射机功率的开关损耗和工作范围宽度问题。
[0011] 本领域需要一种使开关损耗得到有效降低且具备宽动态的工作范围的大功率电 磁发射机及用于其的零电压切换软开关系统。
【发明内容】
[0012] 为解决上述技术问题，本发明人经过深入研究，充分结合用于地球物理人工源电 磁场勘探的大功率电磁场发射机的特点，提供了以下技术方案。
[0013] 在本发明的一方面，通过将现有技术中的第一级逆变桥巧妙地设计成主功率逆变 桥，提供了一种电磁场发射机，该发射机包括:三相380V发电机组;三相半控整流桥;作为第 一级逆变桥的主功率逆变桥;高频变压器;高频整流桥;LC滤波电路;和第二级逆变桥。
[0014] 优选地，参考图2，所述主功率逆变桥包括SI、S2、S3、S4四个绝缘栅双极型晶体管 (IGBT)，以及包括有源主电流源网络和有源辅助电流源网络两个子系统。更优选地，在主功 率逆变桥中，由S1、S2组成的桥臂为超前桥臂，由绝缘栅双极型晶体管Sla、S2a组成的桥臂 为超前辅助桥臂，由S3、S4组成的桥臂为滞后桥臂，由绝缘栅双极型晶体管S3a、S4a组成的 桥臂为滞后辅助桥臂。进一步优选地，所述主功率逆变桥还包括:与3142、53、54每个晶体 管分别对应的谐振电容Crl~Cr4和分别对应的二极管D1~D4,谐振电感L3,和隔值电容C3; 所述谐振电容Crl~Cr4与谐振电感L3和隔值电容C3-起构成谐振回路。更进一步优选地， 所述主功率逆变桥还包括:谐振电感LI、L2，谐振电容Cl、C2、Cr la、Cr2a、Cr3a、Cr4a，绝缘栅 双极型晶体管 31&、52&、53&、54&，以及二极管05、06、07、08;11、(：1与51&、01&、52&、02&、 D5、D6构成了超前桥臂的辅助电流源网络，L2、C2与33 &、03&、34&、04&、07、08构成了滞后 桥臂的辅助电流源网络，分别辅助两个桥臂以实现零度电压开关即有源软开关。
[0015] 在所述系统中，C3的引入还可以消除变压器原边电流中的直流分量，防止高频变 压器偏磁现象的发生。
[0016] 在一个特别优选的实施方式中，所述绝缘栅双极型晶体管中的灌封材料为有机硅 材料。进一步地，所述有机娃材料为通过如下方法制备的有机娃材料，该方法包括：
[0017] (1)将100份乙烯基硅油和0? 02~1份催化剂加入双行星动力混合机内，在自转速 度200~1000r/min、公转速度10~20r/min的条件下搅拌0.5~lh制得组份A;
[0018] (2)将75~90份乙烯基硅油、5~20份扩链剂、0.5~5份交联剂和0.1~1份抑制剂 加入双行星动力混合机内，在自转速度200~1000r/min、公转速度10~20r/min条件下搅拌 0.5~111制得组份8;
[0019] ⑶将A、B按摩尔比1:3~3:1混合均匀后真空脱泡，然后在恒温干燥箱中固化即得 有机硅材料。
[0020] 如本领域技术人员通常所理解，所述份数以重量份计。
[0021] 优选地，所述乙烯基硅油为下式（1)或(2)所示的硅油或其组合物：
[0022] ViMe2SiO(Me2SiO)nSiMe2Vi (式1)
[0023] Me3SiO(Me2SiO)n(MeViSiO)mSiMe 3 (式2)
[0024]其中，n等于20-60,优选30-50;Vi为乙烯基。优选为其二者的组合物，二者的比例 优选为1:9~1:5(重量）。
[0025]特别优选地，在步骤（1)中，还向乙烯基硅油中加入5-30份，优选10-20重量份的 Al2〇3粉末。Al2