电磁场发射机及其零电压切换软开关系统技术方案

本发明专利技术公开了一种电磁场发射机及其零电压切换软开关系统。所述发射机包括：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。所述零电压切换软开关系统不仅可以降低电磁发射机工作时绝缘栅双极型晶体管(IGBT)的开关损耗，提升了系统的工作效率，而且可以抑制过高的电压、电流尖峰，减小了对外的电磁干扰，同时可以保证电磁发射机宽动态工作范围，扩回路中电流的连续性，无论是在重载、轻载还是重载轻载来回切换时，均能够保证系统安全稳定运行。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术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。
技术介绍
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。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。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。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MOSFET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。本专利技术用微控制器和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。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。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。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。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。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。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。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术人经过深入研究，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。在本专利技术的一方面，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。优选地，参考图2，所述主功率逆变桥包括S1、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S1a、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S1、S2、S3、S4每个晶体管分别对应的谐振电容Cr1～Cr4和分别对应的二极管D1～D4，谐振电感L3，和隔值电容C3；本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
1.一种电磁场发射机，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。
2.根据权利要求1所述的电磁场发射机，其中所述主功率逆变桥包括S1、
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。
3.根据权利要求1或2所述的电磁场发射机，其中在所述主功率逆变桥
中，由S1、S2组成的桥臂为超前桥臂，由绝缘栅双极型晶体管S1a、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。
4.根据权利要求1或2所述的电磁场发射机，所述主功率逆变桥还包括：
与S1、S2、S3、S4每个晶体管分别对应的谐振电容Cr1～Cr4和分别对应的
二极管D1～D4，谐振电感L3，以及隔值电容C3；所述谐振电容Cr1～Cr4与
谐振电感L3和隔值电容C3一起构成谐振回路。
5.根据权利要求4所述的电磁场发射机，所述主功率逆变桥还包括：谐
振电感L1、L2，谐振电容C1、C2、Cr1a、Cr2a、Cr3a、Cr4a，绝缘栅双极
型晶体管S1a、S2a、S3a、S4a，以及二极管D5、D6、D7、D8；其中L1、
C1与S1a、Cr1a、S2a、Cr2a、D5、D6构成了超前桥臂的辅助电流源网络，
L2、C2与S3a、Cr3a、S4a、Cr4a、D7、D8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。
6.根据权利要求1-5中任一项所述的电磁场发射机，其中所述绝缘栅双
极型晶体管中的灌封材料为有机硅材料。
7.一种实现权利要求1-6中任一项所述的电磁场发射机的零电压切换软
开关功能的方法，该方法包括：在输出功率超过5kW时，S1、S4导通，使

\t变压器原边电流通过回路S1-＞A-＞C3-＞L3-＞B-＞S4-＞S1，此时S2关断，谐振
电容Cr2两端电压等于直流母线电压；当S1关断后，由于谐振电感L3的存
在，使得变压器原边回路中的电流方向保持不变，此时Cr1充电、Cr2放电，
直到Cr1电压上升到母线，Cr2电压下降为0，随后D2自然导通，电流回路
为D2-＞A-＞C3-＞L3-＞B-＞S4-＞D2；在这个过程中，由于S1导通时电容Cr1被
短路，其电压为零，且电容电压不能突变，使得S1关断时为零电压关断，又
由于二极管D2的钳位作用，S2导通时等同于短路状态，两端电压几乎为零
即忽略二极管的导通压降，因此S2为零电压开通；然后将S4关断，同理，
由于此时谐振电容Cr4两端电压为零，电容电压不能发生突变，使得S4也为
零电压关断；在S4关断后，回路中的电流会给Cr3放电，Cr4充电，直到
Cr3电压下降到零，Cr4电压上升到，二极管D3自然导通，电流回路为
S2-＞A-＞C3-＞L3-＞B-＞D3-＞S2，D3的导通将S3电压钳...

【专利技术属性】
技术研发人员：底青云，张一鸣，王旭红，薛国强，
申请(专利权)人：中国科学院地质与地球物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11