[發明專利]一種模塊化多電平高壓電磁發射電路

有效

• 申請號: 202011222330.7
• 申請日: 2020-11-05
• 公開（公告）號: CN112436746B
• 公開（公告）日: 2021-09-21
• 發明（設計）人: 李剛;張昕昊;于生寶;郭群;龐笑雨;秘家一;李超臣
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: H02M7/483
• 分類號: H02M7/483;H02M7/5387;H02M1/32;G01V3/08
• 代理公司: 沈陽銘揚聯創知識產權代理事務所(普通合伙) 21241
• 代理人: 屈芳

本發明屬于地球物理探測中的電法探測儀器領域，尤其是適用于電法儀器的大功率高壓逆變發射裝置的一種模塊化多電平高壓電磁發射電路。發電機，產生380V、50Hz的三相交流電；通過三相整流橋以及隔離型DC/DC變換器，得到約500V的穩定直流電壓，作為發射橋路的輸入側直流母線電壓；發射橋路，采用MMC拓撲結構，采用驅動電路為發射橋路提供驅動信號，發射橋路為大地負載提供多電平穩定電壓或電流；采用模塊化設計，每級選用低電壓器件，多級串聯實現高電壓輸出，大大降低電壓應力和開關損耗，具有拓撲結構簡單、易于級聯擴展、易于實現冗余控制等優點。

技術領域

本發明屬于地球物理探測中的電法探測儀器領域，尤其是適用于電法儀器的大功率高壓逆變發射裝置的模塊化多電平高壓電磁發射電路。

背景技術

能源的開發、資源的利用是經濟發展的基礎，近年來經濟的快速發展使得各國對礦產資源的需求量日益增大，深部探測是解決礦產資源危機的一個有效途徑。用于地球物理探測的電性源電磁法儀器需要向大地負載供以發射電流，在地下建立起一次脈沖磁場，探測的深度一般與發射信號的強度呈正相關。為了實現深部探測，需要在現有發射系統基礎上研制更高電壓和更大功率的電磁發射系統，提升探測裝備的技術水平。

電磁發射系統廣泛應用的是兩電平逆變器，輸出電壓等級較高時，存在較高的電壓應力和電磁干擾(EMI)，對開關器件的要求高，且開關頻率高、損耗大，所需要的龐大的散熱系統會造成設備重量過重、成本過高等問題，對儀器的野外應用造成極大的困難。一般的做法是用多個低壓開關器件的串聯來提高承受電壓能力，這樣的做法雖然在一定程度上降低了成本，但存在著靜態和動態均壓問題，均壓電路會帶來系統復雜化、損耗增加以及效率下降等問題。

為了避免上述技術難題，20世紀80年代，一種新型的逆變器新思路——多電平逆變器開始出現，受到了廣泛關注。多電平逆變器從拓撲結構上進行優化，利用增加輸出電平數來減小電壓應力，使開關管工作在低壓低頻狀態，以減小開關損耗及EMI，系統逆變效率高，更適合于高壓大功率應用。雖然增多了開關器件數目，但選用的是低壓低頻開關器件，逆變器整體成本仍然降低。多電平電路拓撲結構主要有二極管鉗位型、飛跨電容型和級聯型，近年來已經存在多電平技術在電磁發射系統中的應用。在專利號為CN103973147A的專利中，實現了二極管鉗位型發射電路五電平逆變輸出，將IGBT上的電壓降為直流母線電壓的1/2，有效提高了輸出電壓。但當電平數超過5時，所需要的二極管和電容數目急劇增加，拓撲結構會變得極為復雜。在專利號為CN105375803A的專利中，采用級聯型拓撲結構，實現了級聯H橋型五電平輸出，雖然避免了電容均壓問題，且模塊化程度較高，但每個模塊下都需要一個獨立電源。隨著電平數的增加，直流供電電源電路會變得極為復雜，且系統難以實現冗余控制。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于提供一種基于模塊化多電平(MMC)高電壓電磁發射電路。采用模塊化設計，每級選用低電壓器件，多級串聯實現高電壓輸出，大大降低電壓應力和開關損耗，具有拓撲結構簡單、易于級聯擴展、易于實現冗余控制等優點。

本發明是這樣實現的，一種模塊化多電平高壓電磁發射電路，該電路包括：

發電機，產生380V、50Hz的三相交流電；

通過三相整流橋以及隔離型DC/DC變換器，得到約500V的穩定直流電壓，作為發射橋路的輸入側直流母線電壓；

發射橋路，采用MMC拓撲結構，采用驅動以及保護電路為發射橋路提供驅動信號，發射橋路為大地負載提供多電平穩定電壓或電流；其中，發射橋路包括a相p橋臂、a相n橋臂、b相p橋臂以及b相n橋臂，每個橋臂均包括多個SM子模塊串聯而成，a相p橋臂和a相n橋臂兩個橋臂的連接點作為交流輸出端A，b相p橋臂以及b相n橋臂兩個橋臂的連接點作為交流輸出端B，交流輸出端A以及交流輸出端B兩點作為發射橋路的輸出端，輸出電壓為U_AB，經導線連接大地負載。