一种级联式大功率发射的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种级联式大功率发射机，包括控制系统、电源系统、逆变桥路、显示装置、驱动电路、信号处理电路和电流电压检测电路；所述逆变桥路采用级联式功率H桥路，每一路所述逆变桥路均使用两个IGBT并联且交叉分时工作；所述电源系统与所述逆变桥路连接；所述信号处理电路、所述驱动电路和所述逆变桥路顺序连接；所述逆变桥路、负载、所述电流电压检测电路和所述信号处理电路顺序连接；通过采用多个功率H桥路串联工作的方式解决现有发射机输出电压较低，输出功率不足的特点，提高了输出电压与输出功率；同时降低了单个电源系统的输出功率，使器件选型范围更广，降低电源系统的设计制作难度。
【专利说明】-种级联式大功率发射机
【技术领域】
[0001] 本实用新型设及地球物理勘查领域，尤其设及一种级联式大功率发射机。
【背景技术】
[0002] 在当前较流行的地球物理电磁探测技术中，大地电磁探测法（MT) W及可控源音 频大地电磁法（CSAMT)在深部地质信息探测领域具有较明显的优势。MT方法是由苏联学者 吉洪诺夫和法国学者卡巧亚共同提出的，它通过检测大地中广泛分布的（i(r 4?104Hz)天 然电磁场来对地球深部地质信息进行探测，具有很大的探测深度，可达上百公里。该方法不 需要人工场源激励，具有装备轻便、成本低等优点，但是由于被检测信号幅值微弱，频率范 围广，对接收系统的最小分辨率与温度稳定性有很高的要求，且出于数据叠加消噪的需要， 一个测点需要进行长时间观测，工作效率低下。
[0003] CSAMT方法是在MT及其衍生方法AMT (音频大地电磁法）的基础上发展起来的人 工场源电磁探测方法。它通过检测音频范围（10^1?10巧Z)范围内的电磁信号可W对地下 3Km W内的目标进行探测。由于采用人工场源，可W根据不同的探测条件与探测目标，改变 发射机的功率输出大小与频率范围，增强被观测信号的信噪比，提高了探测的精度和深度， 相对MT方法具有更高的工作效率。
[0004] 如图1所示是最简单的标量CSAMT法标量测量的平面布置图。
[0005] 在实际应用中，图1中供电极距AB通常在1000m?2000m左右，根据地质情况与 接地处理程度的不同，接地电阻的值变动范围非常大。在接地电阻较大的情况下，要想提高 供电电流，则必须要求发射机有很高的输出电压，W满足不同条件下大电流输出的能力。由 此可见，CSAMT方法中要求发射机具有高电压、大电流输出的特点，为发射机研制带来了很 大困难。目前常用的发射机采用的是功率H桥路进行输出端电压的逆变输出功能，常见的 功率H桥路结构如图2所示，图2中的功率开关管是成对工作，Q1、Q3为一组，Q2、Q4为一 组，工作时Q1、Q3打开时电流从左向右流动，Q2、Q4打开时发射电流从右向左流动。工作时 忽略功率开关管Q1?Q4的导通压降，则加载在负载上的电压即系统的供电电压Vcc。在实 际应用中由于IGBT的耐压限制，通常供电电压不能高于700?800V，电压越高IGBT允许 通过的额定电流也就越小，且此时IGBT在工作时容易被损坏，限制了向外发射功率最大范 围。
[0006] 目前常用的发射装置采用的是一个发射桥路的方式，常用的发射机结构如图3所 示，控制系统控制发射机产生特定方式的发射波形，并将此控制波形输出至驱动电路，驱动 电路与控制系统采用隔离连接在一起，并将控制系统的控制波形放大后控制IGBT桥路进 行工作，直流电源与IGBT桥路共同构成了发射系统的功率输出部分，根据控制系统的控制 要求输出指定的大功率发射电流。保护电路主要对系统的过流、过压、过热及功率H桥路开 关异常等情况下系统的安全性进行控制，能保证系统工作安全。
[0007] 由于现在的发射系统通常采用的是单个功率H桥路的设计方式，受到IGBT耐压性 的限制输出的发射电压不能升的太高，该也进一步导致输出的发射电流不能进一步升高， 系统总体输出功率较低，系统的整体探测深度与信号质量受到影响。
[000引另外，即使使用高压的IGBT进行设计，要求供电电源的功率很大，电源输出功率 与电源的体积具有正相关关系，即功率越大电源体积也越大，该就给电源的制作及使用提 出了很大的挑战，在设计中需要选择更加优质的器件，提高了制作成本同时稳定性也受到 影响。 实用新型内容
[0009] 本实用新型的目的在于提供一种级联式大功率发射机，从而解决现有技术中存在 的前述问题。
[0010] 为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：
[0011] 本实用新型通过采用多个功率H桥路串联工作的方式解决现有发射机输出电压 较低，输出功率不足的特点，降低系统的设计制作难度，提高系统稳定性，通过提高发射功 率进而提高探测深度与探测效果，为矿产资源勘查服务。
[0012] 一种级联式大功率发射机，包括控制系统、电源系统、逆变桥路、显示装置、驱动电 路、信号处理电路和电流电压检测电路；所述逆变桥路采用级联式功率H桥路，每一路所述 逆变桥路均使用两个IGBT并联且交叉分时工作；所述电源系统与所述逆变桥路连接；所述 信号处理电路、所述驱动电路和所述逆变桥路顺序连接；所述逆变桥路、负载、所述电流电 压检测电路和所述信号处理电路顺序连接；所述控制系统分别与输入装置、所述显示装置 和所述信号处理电路连接；所述电源系统包括=套级联连接的开关电源；所述级联式大功 率发射机还包括交流发电机，所述交流发电机分别与所述电源系统和隔离变压器连接，所 述隔离变压器分别与所述驱动电路和控制系统连接。
[0013] 优选的，所述级联式功率H桥路中通过多组功率H桥路串联连接实现多功率H桥 路级联工作。
[0014] 优选的，所述电源系统包含=组独立开关电源，=组独立开关电源分别与=个功 率H桥路直接连接，再通过功率H桥路级联工作。
[0015] 优选的，所述控制系统采用MSP430作为主控制器。
[0016] 优选的，所述驱动电路采用推挽式拓扑产生-6V?+18V驱动信号。
[0017] 优选的，所述驱动电路是基于S极管推挽拓扑的IGBT驱动电路。
[001引优选的，所述开关电源包括3525硬件控制电路。
[0019] 优选的，所述驱动电路采用AC220V工频电源，单电源供电。
[0020] 优选的，还包括控制信号保护电路。
[0021] 优选的，还包括过流过压保护电路；所述过流过压保护电路与前级控制系统和后 级驱动电路之间均采用光禪隔离，所述过流过压保护电路与电源系统通过变压器进行隔 离。
[0022] 本实用新型的有益效果是：
[0023] 本实用新型通过采用多个功率H桥路串联工作的方式解决现有发射机输出电压 较低，输出功率不足的特点，提高了输出电压与输出功率；同时降低了单个电源系统的输出 功率，使器件选型范围更广，降低电源系统的设计制作难度，提高系统稳定性与经济性，通 过提高发射功率进而提高探测深度与探测效果，为矿产资源勘查服务。
【专利附图】
【附图说明】
[0024] 图1是双极源CSAMT标量测量布置平面示意图；
[0025] 图2是功率H桥路电路结构示意图；
[0026] 图3是现有的发射机结构示意图；
[0027] 图4是本实用新型的级联式大功率发射机结构示意图；
[002引图5是本实用新型中的级联式功率H桥路原理示意图；
[0029] 图6是本实用新型中的开关电源结构示意图；
[0030] 图7是本实用新型中的驱动电路结构示意图；
[0031] 图8是本实用新型中的S极管推挽拓扑基本原理示意图；
[0032] 图9是本实用新型中的保护电路的总体示意图；
[0033] 图10是本实用新型中的软启动控制电路结构示意图；
[0034] 图11是本实用新型中的设置死区时间与防直通电路结构示意图；
[0035] 图12是本实用新型中的过流过压保护电路结构示意图。
【具体实施方式】
[0036] 为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，W下结合附图，对本实 用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的【具体实施方式】仅仅用W解释本实用 新型，并不用于限定本实用新型。
[0037] 如附图4-12所示，本实用新型公开了一种级联式大功率发射机，包括控制系统、 电源系统、逆变桥路、显示装置、驱动电路、信号处理电路和电流电压检测电路；所述逆变 桥路采用级联式功率H桥路，每一路所述逆变桥路均使用两个IGBT并联且交叉分时工作； 所述电源系统与所述逆变桥路连接；所述信号处理电路、所述驱动电路和所述逆变桥路顺 序连接；所述逆变桥路、负载、所述电流电压检测电路和所述信号处理电路顺序连接；所述 控制系统分别与输入装置、所述显示装置和所述信号处理电路连接；所述电源系统包括= 套级联连接的开关电源；所述级联式大功率发射机还包括交流发电机，所述交流发电机分 别与所述电源系统和隔离变压器连接，所述隔离变压器分别与所述驱动电路和控制系统连 接。
[003引如图4所示，本实用新型所设计的整个系统通过交流发电机供电，可W分为控制 系统、电源系统、逆变功率H桥路S大块。其中控制系统采用MSP430作为主控制器，用W产 生各种模式、频率的波形，并检测发射机当前的工作状态通过液晶（显示装置）进行显示。 电源系统通过=套开关电源级联工作，最高输出电压为1500V，最大电流30A。逆变桥路采 用最常见的功率H桥，选取PGL60N100D系列单体IGBT作为功率开关器件，每路使用两个 IGBT并联工作，既克服了单个IGBT通流能力低的缺点又保留了其高耐压的特性。驱动电路 采用推挽式拓扑产生-6V?+18V驱动信号，保证IGBT的可靠导通与关断。信号处理与电 流检测电路完成的主要功能包括控制系统与驱动部分隔离，当输出波形为100%占空比方 波时为驱动信号提供死区时间，当输出出现过流、过压等故障时及时关断驱动信号，同时将 故障报告给控制系统进行报警。
[0039] 级联式功率H桥路原理示意图，如图5所示：
[0040] 为提高系统的发射电压及发射电流，在设计中采用了多电源级联工作的方式。通 过多组电源串联工作，总的输出功率为各个电源输出功率的总和。该样既提高了总的输出 功率又降低了每级电源的输出功率，从而降低了电源设计的难度。由于几个电源采取串联 方式连接，输出电压为各个电源输出电压之和，该样输出总电压可W做到很高，而每个桥路 的最高电压被限制在单个电源最高电压上，降低了对功率H桥路中IGBT器件的耐压要求。
[0041] 大功率电源设计：
[0042] 本实用新型中开关电源是有最大电流限制的恒压源，总体设计图如图6所示：
[0043] 图6中3525硬件控制电路是自动调节半桥IGBT导通占空比的核屯、器件。由于输 入、输出电压可能存在抖动，若输入电压降低，则变压器初级侧电压有效值也下降，由于应 数一定，变压器次级输出电压降低，整个输出电压也下降。当检测模块检测到电压降低时将 信号反馈给3525硬件控制器，3525硬件控制器随即提高PWM波形占空比W提高变压器输 入端有效值直到其输出达到设定值。同样的，当输入电压升高或者输出端负载加大时，3525 硬件控制器也相应的降低输出脉冲的占空比W使输出电压稳定。当输出电流达到最大限制 时，3525将PWM脉冲占空比锁定，如果输出电流继续增大则PWM控制波形占空比反向缩小， 保证输出不会出现过流现象。
[0044] 驱动电路设计；
[0045] 驱动电路是控制整个功率电路可靠工作的基础，本实用新型中功率H桥路采用多 个IGBT并联工作的方式W提高输出电流的范围，市场上常用的IGBT驱动电路存在驱动能 力不足，并联性工作差等特点，且与本系统中其它功能整合难度大。在具体分析了目前常用 的IGBT驱动模块及驱动电路的基础上，考虑到仪器系统设计的整体性，为了更好的将驱动 电路与整个系统融合起来并根据需要增加其他的功能，并进一步提高驱动电路各方面的性 能，设计了基于S极管推挽拓扑的IGBT驱动电路。
[0046] 驱动电路供电采用AC220V工频电源，单电源供电。采用该种方式电源可W从系 统电源取得，而不需要再单独设计，简化了电路。驱动电路部分与AC220V电源通过变压 器进行隔离。根据实际需要，此处使用了 AC220-AC24工频变压器，其隔离电压设计指标为 3000V ? min, W保证输入/输出端的安全隔离。隔离变压器输出的AC24V工频信号经过后 级全桥整流滤波之后送入S端稳压电路，最后得到稳定的24V直流电压为驱动电路供电。
[0047] 通过图7可W看出，整个驱动电路采用单电源供电，工作电压为24V。由于IGBT工 作时要求栅极对源极偏置电压而。为+15V W保证其充分导通，而在截止时要求栅极对源极 产生-5V的反向偏压W保证其可靠关断，为解决该个困难，在设计中使用=极管推挽电路 来控制高低电平输出，同时通过TVS稳压管产生关断时所需要的5V反向偏置电压。
[0048] S极管推挽式电路拓扑基本原理图如图8所示：
[0049] 如图8所示，整个驱动电路的供电电压为24V，为了保证IGBT能够可靠地关断，使 用一个6V的稳压管DZ3进行分压，并通过NPN型S极管Q2与PNP型S极管Q1对连的方式 W达到输出电压在+18V与-6V之间切换的功能。输入线号隔离共通过光禪器件完成。由 于光禪W及=极管等器件存在工作延时，实际工作中单片机控制信号与驱动电路输出信号 之间有延时，延时包括主要包括元器件延时W及死区时间延时两部分。延时大小固定，在后 期数据处理过程中可W通过其他方式进行消除。
[0050] 保护电路设计如图9所示：
[0051]保护电路在本实用新型中具有十分重要的作用，由于系统输出功率大，控制难度 高，保护电路不仅用于保护系统的正常工作，更重要的是保护电路能够提高系统的安全性， 该对于用电安全是十分重要的。
[00巧软启动控制：
[0化3] 本实用新型的电源系统中，全桥整流输出端存在较大的滤波电容，如果没有限流 保护措施，则在上电瞬间会在电路中产生很大的浪涌电流。由于整流管通流能力有限，因此 必须设计软启动电路来保护整流二极管安全工作。
[0054] 图10是本实用新型中的软启动控制电路结构示意图，主要功能是限制上电过程 中的浪涌电流。电源通过电磁继电器吸合上电工作。当按下ON键时，晶闽管触发导通，电 源通过晶闽管和功率电阻R2给E1充电，当E1电压上升到537V时12V小电源工作，继电器 J1吸合，此时晶闽管被J1短路，停止工作，电源上电过程完成。关闭时M0S1栅极驱动被短 路，M0S1截止，继电器断开，电源系统断电。可W看出，由于R2的存在，上电过程中电流被限 制在一个安全的范围内，此处R2使用220 Q /10W功率电阻，当继电器吸合后，电流从J1中 通过，保护了 R2不被烧毁。
[0化5] 控制信号保护电路：
[0化6] 为了实现图9中各种保护功能，电路中采用了 RC放电延时产生驱动波形死区时 间，W及通过多路比较器运算输出的方式，防止驱动信号出现同时有效的情况。其基本电路 原理图如图11所示。A路波形和B路波形是单片机控制信号经过光禪后的反相信号，低电 平（0V)有效。其中驱动A、C为一组，控制电流向某一方向导通，驱动B、D控制电流向另一 方向导通。保护信号是过流、过压报警信号，在系统正常工作时为高电平（+5V)。AC220V交 流电源经过变压器禪合后送入保护电路，经过整理后提供了巧V电源，前后级之间均通过 变压器与光禪进行隔离。
[0057] 当A路为低而B路为高时，此时比较器JA输出端为低电平，JB输出为高电平，则驱 动A、驱动C端输出电压差为巧V，其所控制的IGBT导通；驱动B、驱动D输出电压差为0V， IGBT截止，H桥路单向导通。
[0化引如果A路信号升高同时B路信号变低，此时J8输出高电平，C1被迅速充电致高电 位，驱动A、驱动C输出电压差变为0V，H桥路关断；由于之前JB同相端为高电平，C2中剩余 电量需要通过R6逐渐释放，从而延迟了 JB输出极性变化，控制信号传输过程被延迟，亦即 在电流换向瞬间增加了死区时间。死区时间大小可W通过改变RC的时间常数T来设置， 如当A路波形由高变低时，R5、C1可W等效为一阶电路零输入响应过程，其基本计算方法如 下：
[00别 U['i=U0*e 及，〔、
[0060] 如果A路为低电平时B路信号也变低，即所有控制信号均变为有效，此时J7、J8输 出均变高，则比较器JA、JB输出均变高，所有驱动电路都不工作，达到了防止H桥路直通的 效果。
[0061] 图中保护信号的功能是当输出电压、电流超过额定值时，关闭所有驱动控制信号 输出，并将故障信号送入控制系统进行报警，保障安全。实验证明上述设计的保护电路性能 稳定，能够很好的保护IGBT工作的安全性。
[0062] 过流过压保护电路：
[0063] 在实际工作中，过压、过流检测是通过比较方法实现的。放大器对输出信号采样放 大之后送入比较器，如果检测到输出超过限制则比较器输出高电平。由于输出电流接近最 大值时可能出现瞬间过流现象，导致保护电路出现震荡，为避免该种状况，设计中采用可控 娃触发保护方式，一旦发生过流即关断驱动信号输出。
[0064] 图12为过流过压保护控制电路结构示意图。右侧过压过流信号为电压电流检测 电路比较器输出信号。D3、D4是故障指示灯。如果出现过流时Q1导通，保护信号变低，驱 动电路停止工作。左侧的光禪器件与控制系统相连，当出现故障时能够将信号传递给单片 机，使单片机采取相应保护动作。当故障解除后，需要将左下端光禪开通一下，使Q1重新截 止，解除保护状态。
[00化]保护电路包含了各种可能的故障保护功能，经试验得到了很好的效果。在设计中， 保护电路与前级控制电路和后级驱动电路之间均采用了光禪隔离，其电源系统也通过变压 器进行隔离，总隔离电压大于2500V ? min,充分保证了安全。
[0066] 通过采用本实用新型公开的上述技术方案，得到了如下有益的效果：
[0067] 本实用新型通过采用多个功率H桥路串联工作的方式解决现有发射机输出电压 较低，输出功率不足的特点，提高了输出电压与输出功率；同时降低了单个电源系统的输出 功率，使器件选型范围更广，降低电源系统的设计制作难度，提高系统稳定性与经济性，通 过提高发射功率进而提高探测深度与探测效果，为矿产资源勘查服务。
[0068] W上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本【技术领域】的普通技 术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可W做出若干改进和润饰，该些改进和 润饰也应视本实用新型的保护范围。
【权利要求】
1. 一种级联式大功率发射机，其特征在于，包括控制系统、电源系统、逆变桥路、显示 装置、驱动电路、信号处理电路和电流电压检测电路；所述逆变桥路采用级联式功率H桥 路，每一路所述逆变桥路均使用两个IGBT并联且交叉分时工作；所述电源系统与所述逆变 桥路连接；所述信号处理电路、所述驱动电路和所述逆变桥路顺序连接；所述逆变桥路、负 载、所述电流电压检测电路和所述信号处理电路顺序连接；所述控制系统分别与输入装置、 所述显示装置和所述信号处理电路连接；所述电源系统包括三套级联连接的开关电源；所 述级联式大功率发射机还包括交流发电机，所述交流发电机分别与所述电源系统和隔离变 压器连接，所述隔离变压器分别与所述驱动电路和控制系统连接。
2. 根据权利要求1所述的级联式大功率发射机，其特征在于，所述级联式功率H桥路中 通过多组功率H桥路串联连接实现多功率H桥路级联工作。
3. 根据权利要求1所述的级联式大功率发射机，基特征在于，所述电源系统包含三组 独立开关电源，三组独立开关电源分别与三个功率H桥路直接连接，再通过功率H桥路级联 工作。
4. 根据权利要求1所述的级联式大功率发射机，其特征在于，所述控制系统采用 MSP430作为主控制器。
5. 根据权利要求1所述的级联式大功率发射机，其特征在于，所述驱动电路采用推挽 式拓扑产生-6V?+18V驱动信号。
6. 根据权利要求1所述的级联式大功率发射机，其特征在于，所述驱动电路是基于三 极管推挽拓扑的IGBT驱动电路。
7. 根据权利要求1所述的级联式大功率发射机，其特征在于，所述开关电源包括3525 硬件控制电路。
8. 根据权利要求1所述的级联式大功率发射机，其特征在于，所述驱动电路采用 AC220V工频电源，单电源供电。
9. 根据权利要求1所述的级联式大功率发射机，其特征在于，还包括控制信号保护电 路。
10. 根据权利要求1所述的级联式大功率发射机，其特征在于，还包括过流过压保护电 路；所述过流过压保护电路与前级控制系统和后级驱动电路之间均采用光耦隔离，所述过 流过压保护电路与电源系统通过变压器进行隔离。
【文档编号】H04B1/04GK204206016SQ201420719821
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年11月25日 优先权日:2014年11月25日
【发明者】曹学峰 申请人:中国国土资源航空物探遥感中心