一种模块化多电平高压电磁发射电路
阅读说明：本技术 一种模块化多电平高压电磁发射电路 (Modularized multi-level high-voltage electromagnetic transmitting circuit ) 是由 李刚 张昕昊 于生宝 郭群 庞笑雨 秘家一 李超臣 于 2020-11-05 设计创作，主要内容包括：本发明属于地球物理探测中的电法探测仪器领域,尤其是适用于电法仪器的大功率高压逆变发射装置的一种模块化多电平高压电磁发射电路。发电机,产生380V、50Hz的三相交流电；通过三相整流桥以及隔离型DC/DC变换器,得到约500V的稳定直流电压,作为发射桥路的输入侧直流母线电压；发射桥路,采用MMC拓扑结构,采用驱动电路为发射桥路提供驱动信号,发射桥路为大地负载提供多电平稳定电压或电流；采用模块化设计,每级选用低电压器件,多级串联实现高电压输出,大大降低电压应力和开关损耗,具有拓扑结构简单、易于级联扩展、易于实现冗余控制等优点。(The invention belongs to the field of electrical detection instruments in geophysical exploration, and particularly relates to a modular multilevel high-voltage electromagnetic transmitting circuit which is suitable for a high-power high-voltage inversion transmitting device of an electrical instrument. The generator generates 380V and 50Hz three-phase alternating current; obtaining stable direct current voltage of about 500V as direct current bus voltage at the input side of the transmitting bridge circuit through a three-phase rectifier bridge and an isolated DC/DC converter; the transmitting bridge circuit adopts an MMC topological structure, adopts a driving circuit to provide a driving signal for the transmitting bridge circuit, and provides multi-level stable voltage or current for an earth load; the modular design is adopted, low-voltage devices are selected for each stage, high-voltage output is realized by multi-stage series connection, voltage stress and switching loss are greatly reduced, and the modular multi-stage high-voltage power supply has the advantages of simple topological structure, easiness in cascade expansion, easiness in realizing redundancy control and the like.)
技术领域
本发明属于地球物理探测中的电法探测仪器领域，尤其是适用于电法仪器的大功率高压逆变发射装置的模块化多电平高压电磁发射电路。
背景技术
能源的开发、资源的利用是经济发展的基础，近年来经济的快速发展使得各国对矿产资源的需求量日益增大，深部探测是解决矿产资源危机的一个有效途径。用于地球物理探测的电性源电磁法仪器需要向大地负载供以发射电流，在地下建立起一次脉冲磁场，探测的深度一般与发射信号的强度呈正相关。为了实现深部探测，需要在现有发射系统基础上研制更高电压和更大功率的电磁发射系统，提升探测装备的技术水平。
电磁发射系统广泛应用的是两电平逆变器，输出电压等级较高时，存在较高的电压应力和电磁干扰(EMI)，对开关器件的要求高，且开关频率高、损耗大，所需要的庞大的散热系统会造成设备重量过重、成本过高等问题，对仪器的野外应用造成极大的困难。一般的做法是用多个低压开关器件的串联来提高承受电压能力，这样的做法虽然在一定程度上降低了成本，但存在着静态和动态均压问题，均压电路会带来系统复杂化、损耗增加以及效率下降等问题。
为了避免上述技术难题，20世纪80年代，一种新型的逆变器新思路——多电平逆变器开始出现，受到了广泛关注。多电平逆变器从拓扑结构上进行优化，利用增加输出电平数来减小电压应力，使开关管工作在低压低频状态，以减小开关损耗及EMI，系统逆变效率高，更适合于高压大功率应用。虽然增多了开关器件数目，但选用的是低压低频开关器件，逆变器整体成本仍然降低。多电平电路拓扑结构主要有二极管钳位型、飞跨电容型和级联型，近年来已经存在多电平技术在电磁发射系统中的应用。在专利号为CN103973147A的专利中，实现了二极管钳位型发射电路五电平逆变输出，将IGBT上的电压降为直流母线电压的1/2，有效提高了输出电压。但当电平数超过5时，所需要的二极管和电容数目急剧增加，拓扑结构会变得极为复杂。在专利号为CN105375803A的专利中，采用级联型拓扑结构，实现了级联H桥型五电平输出，虽然避免了电容均压问题，且模块化程度较高，但每个模块下都需要一个独立电源。随着电平数的增加，直流供电电源电路会变得极为复杂，且系统难以实现冗余控制。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于提供一种基于模块化多电平(MMC)高电压电磁发射电路。采用模块化设计，每级选用低电压器件，多级串联实现高电压输出，大大降低电压应力和开关损耗，具有拓扑结构简单、易于级联扩展、易于实现冗余控制等优点。
本发明是这样实现的，一种模块化多电平高压电磁发射电路，该电路包括：
发电机，产生380V、50Hz的三相交流电；
通过三相整流桥以及隔离型DC/DC变换器，得到约500V的稳定直流电压，作为发射桥路的输入侧直流母线电压；
发射桥路，采用MMC拓扑结构，采用驱动以及保护电路为发射桥路提供驱动信号，发射桥路为大地负载提供多电平稳定电压或电流；其中，发射桥路包括a相p桥臂、a相n桥臂、b相p桥臂以及b相n桥臂，每个桥臂均包括多个SM子模块串联而成，a相p桥臂和a相n桥臂两个桥臂的连接点作为交流输出端A，b相p桥臂以及b相n桥臂两个桥臂的连接点作为交流输出端B，交流输出端A以及交流输出端B两点作为发射桥路的输出端，输出电压为UAB，经导线连接大地负载。
进一步地，所述SM子模块拓包括IGBT开关器件S1、IGBT开关器件S2、续流二极管D1、续流二极管D2和一个电容C，IGBT开关器件S1与续流二极管D1并联，IGBT开关器件S2与续流二极管D2并联，两者相串联后再与电容C并联，IGBT开关器件S2与IGBT开关器件S1的连接点M，IGBT开关器件S2另一端点为连接点P，连接点M、连接点P作为半桥子模块的外接端口。
进一步地，IGBT开关器件S1以及IGBT开关器件S2通过驱动电路驱动。
进一步地，两相投入的SM子模块数均为N，满足：Nap+Nan＝Nbp+Nbn＝NNap和Nan为a相p桥臂、a相n桥臂SM子模块数，Nbp和Nbn为b相p桥臂、b相n桥臂SM子模块数；
Ud为输入侧直流电压，每相投入的N个SM子模电容块串联分压，电容电压UC为
进一步地，发射电路进行多电平输出输出电压UAB的范围为[-Ud，Ud]，Ud为输入侧直流电压，共有N-1个电平，在一个周期T内按照顺序输出各电平，分别为N为两相投入的SM子模块数，其实现步骤为：
在时间段内，a相p桥臂投入0个SM子模块，a相n桥臂投入N个SM子模块，b相p桥臂投入N个SM子模块，b相n桥臂投入0个SM子模块，A点电位为0，B点电位为NUC，发射电压为
UAB＝UA-UB＝-NUC＝-Ud
在时间段内，a相p桥臂投入1个SM子模块，a相n桥臂投入N-1个SM子模块，b相p桥臂投入N-1个SM子模块，b相n桥臂投入1个SM子模块，A点电位为UC，B点电位为(N-1)UC，输出电压为
在时间段内，a相p桥臂投入2个SM子模块，a相n桥臂投入N-2个SM子模块，b相p桥臂投入N-2个SM子模块，b相n桥臂投入2个SM子模块，A点电位为2UC，B点电位为(N-2)UC，输出电压为
在时间段内，a相p桥臂投入N-2个SM子模块，a相n桥臂投入2个SM子模块，b相p桥臂投入2个SM子模块，b相n桥臂投入N-2个SM子模块，A点电位为UC，B点电位为(N-1)UC，输出电压为
在时间段内，a相p桥臂投入N-1个SM子模块，a相n桥臂投入1个SM子模块，b相p桥臂投入1个SM子模块，b相n桥臂投入N-1个SM子模块，A点电位为UC，B点电位为(N-1)UC，输出电压为
在时间段内，a相p桥臂投入N个SM子模块，a相n桥臂投入0个SM子模块，b相p桥臂投入0个SM子模块，b相n桥臂投入N个SM子模块，A点电位为NUc，B点电位为0，输出电压为
UAB＝UA-UB＝NUC＝Ud
在时间段内，每个时间段内，保证每相两桥臂投入子模块总数均为N，调节两相p桥臂、n桥臂各自SM投入子模块数，输出电压UAB实现到的分段输出。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：
通过设置各桥臂串联SM子模块数N可以实现级数扩展和冗余设计。
发射桥路采用模块化多电平拓扑结构，每个SM子模块的开关管承受的电压和du/dt取决于SM子模块内与开关管并联的电容电压，电压应力为直流母线电压的du/dt小，EMI小，逆变效率高，可实现用低耐压小功率器件达到高压大功率输出的目的，且拓扑结构简单，模块化程度高，易于级联扩展，易于实现冗余控制，适合于高压电磁发射系统。
附图说明
图1为高压电磁发射系统结构框图；
图2为模块化多电平发射桥路结构图；
图3为SM子模块拓扑结构图；
图4为模块化多电平发射桥路等效模型示意图；
图5为N电平输出波形图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
参见图1所示，本发明提出的高压电磁法发射系统框图如图1所示。系统包括发电机、直流电源、MMC发射桥路和大地负载。
发电机，产生380V、50Hz的三相交流电；
通过三相整流桥以及隔离型DC/DC变换器，得到约500V的稳定直流电压，作为发射桥路的输入侧直流母线电压；
发射桥路，采用MMC拓扑结构，采用驱动电路为发射桥路提供驱动信号，发射桥路为大地负载提供多电平稳定电压或电流；其中，发射桥路包括a相p桥臂、a相n桥臂、b相p桥臂以及b相n桥臂，每个桥臂均包括多个SM子模块串联而成，a相p桥臂和a相n桥臂两个桥臂的连接点作为交流输出端A，b相p桥臂以及b相n桥臂两个桥臂的连接点作为交流输出端B，交流输出端A以及交流输出端B两点作为发射桥路的输出端，输出电压为UAB，经导线连接大地负载。
本发明提出的模块化多电平发射桥路结构如图2所示，发射桥路包括4N个半桥子模块(SM)与负载R、负载L。发射桥路基本框架为a相与b相两相相并联，每相由p桥臂和n桥臂串联组成，共有4个桥臂，包括a相p桥臂、a相n桥臂、b相p桥臂以及b相n桥臂分别表示为ap、an、bp和bn。每个桥臂由N个SM子模块串联而成，a相p桥臂的SM子模块分别为SMa1、SMa2、...、SMaN，a相n桥臂的SM子模块分别为SM1a、SM2a、...、SMNa，b相p桥臂的SM子模块分别为SMb1、SMb2、...、SMbN，b相n桥臂的SM子模块分别为SM1b、SM2b、...、SMNb。a相p桥臂和a相n桥臂两个桥臂的连接点作为交流输出端A，b相p桥臂和b相n桥臂两个桥臂的连接点作为交流输出端B。A、B两点作为发射桥路的输出端，经导线连接大地负载(R为大地阻性负载，L为大地感性负载)。
本发明提出的SM子模块拓扑结构如图3所示，主要包括2个IGBT开关器件S1、IGBT开关器件S2、续流二极管D1、续流二极管D2和一个电容C。IGBT开关器件S1与续流二极管D1并联，IGBT开关器件S2与续流二极管D2并联，两者相串联后再与电容C并联。IGBT开关器件S2与IGBT开关器件S1的连接点为M，IGBT开关器件S2另一端点为P。M、P作为半桥子模块的外接端口。
参见图1为高压电磁发射系统结构框图。发电机产生380V、50Hz的三相交流电，通过三相整流桥、隔离型DC/DC变换器，得到约500V的稳定直流电压，作为发射桥路的输入侧直流母线电压。发射桥路采用MMC拓扑结构，驱动电路为发射桥路各SM子模块内的IGBT提供驱动信号，发射桥路为大地负载提供多电平稳定电压或电流，以满足电磁探测一次磁场形成的要求。
参见图2为模块化多电平发射桥路结构。Nap和Nan为a相p桥臂、a相n桥臂两个桥臂投入子模块数，Nbp和Nbn为b相p桥臂、b相n桥臂两个桥臂投入子模块数，UA为a相交流输出端A点的电压，UB为b相交流输出端B点的电压，UAB为发射桥路输出电压，加在大地负载两端。在任何时刻，a、b两相投入的半桥子模块数均为N，即
Npa+Nna＝Npb+Nnb＝N (1)
Ud为输入侧直流电压，每相投入的N个子模电容块串联分压，电容电压UC为
图3为SM子模块拓扑结构。USM为子模块端口电压，UC为电容电压，通过对IGBT开关器件S1、IGBT开关器件S2的控制，使每个子模块可以工作在投入或切除状态，子模块端口电压与开关状态关系如表1所示。IGBT开关器件S1导通、IGBT开关器件S2关断时，子模块工作在投入状态，子模块端口电压USM＝UC；IGBT开关器件S1关断、IGBT开关器件S2导通时，子模块工作在切除状态，子模块端口电压USM＝0。SM子模块端口电压与开关状态关系如表1(1表示开关管导通，0表示开关管关断)。
表1 SM子模块端口电压与开关状态关系
U<sub>SM</sub>
S<sub>1</sub>
S<sub>2</sub>
0
0
1
U<sub>C</sub>
1
0
本发明的实现方法如下：
图4为模块化多电平发射桥路等效模型。每个SM子模块的IGBT开关器件S1、IGBT开关器件S2可以等效为一个与悬浮电容C并联的切换开关S，每个SM子模块可以等效为一个切换开关S和悬浮电容C的并联，发射桥路由4N个这样的SM子模块等效电路构成。发射桥路等效电路共有4N个切换开关S，包括a相SMa1、SMa2、...、SMaN子模块的切换开关Sa1、Sa2、...、SaN，a相SM1a、SM2a、...、SMNa子模块的切换开关S1a、S2a、...、SNa，b相SMb1、SMb2、...、SMbN子模块的切换开关Sb1、Sb2、...、SbN，b相SM1b、SM2b、...、SMNb子模块的切换开关S1b、S2b、...、SNb。通过对每个SM子模块的切换开关S的控制，可以控制SM子模块处于投入或切除状态。SM子模块工作在投入状态时，子模块端口电压为UC；子模块工作在切除状态时，子模块端口电压为0。各桥臂电压为投入的SM子模块电容电压UC串联之和，A点、B点电位和输出电压为
通过对每个SM子模块的等效切换开关S进行控制，设置各桥臂接入串联SM子模块的数目，可以实现多电平输出。输出电压UAB与各桥臂投入SM数之间的关系如表2。
表2输出电压与各桥臂投入SM数之间的关系
多电平输出波形如图5所示，输出电压UAB的范围为[-Ud，Ud]，共有N-1个电平，在一个周期T内按照顺序输出各电平，分别为 其实现步骤为：
(1)在时间段内，a相p桥臂投入0个SM子模块，a相n桥臂投入N个SM子模块，b相p桥臂投入N个SM子模块，b相n桥臂投入0个SM子模块，A点电位为0，B点电位为NUC，发射电压为
UAB＝UA-UB＝-NUC＝-Ud (4)
(2)在时间段内，a相p桥臂投入1个SM子模块，a相n桥臂投入N-1个SM子模块，b相p桥臂投入N-1个SM子模块，b相n桥臂投入1个SM子模块，A点电位为UC，B点电位为(N-1)UC，输出电压为
(3)在时间段内，a相p桥臂投入2个SM子模块，a相n桥臂投入N-2个SM子模块，b相p桥臂投入N-2个SM子模块，b相n桥臂投入2个SM子模块，A点电位为2UC，B点电位为(N-2)UC，输出电压为
(4)在时间段内，a相p桥臂投入N-2个SM子模块，a相n桥臂投入2个SM子模块，b相p桥臂投入2个SM子模块，b相n桥臂投入N-2个SM子模块，A点电位为UC，B点电位为(N-1)UC，输出电压为
(5)在时间段内，a相p桥臂投入N-1个SM子模块，a相n桥臂投入1个SM子模块，b相p桥臂投入1个SM子模块，b相n桥臂投入N-1个SM子模块，A点电位为UC，B点电位为(N-1)UC，输出电压为
(4)在时间段内，a相p桥臂投入N个SM子模块，a相n桥臂投入0个SM子模块，b相p桥臂投入0个SM子模块，b相n桥臂投入N个SM子模块，A点电位为NUc，B点电位为0，输出电压为
UAB＝UA-UB＝NUC＝Ud (9)
(5)在时间段内，每个时间段内，保证每相两桥臂投入子模块总数均为N，调节两相p、n桥臂各自SM投入子模块数，输出电压UAB可以实现到的分段输出，与上述过程类似，在此不再详述。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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