[发明专利]一种模块化多电平高压电磁发射电路

说明书

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。

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U_AB，经导线连接大地负载。