CN101634719B - 一种输出级联式高压逆变装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种输出级联式高压逆变装置。是采用级联式模块化结构，即每一级采用低电压设计，然后多级串联，实现高电压输出。每级桥路使用独立的电源，使各级桥路彼此隔离从而解决了单元级联时的动态均压和电压嵌位问题。其优点是：每级桥路使用独立的电源供电，使各级桥路彼此隔离从而解决了桥路级联时单元器件的动态均压和电压嵌位问题；每级采用低电压设计，然后多级串联实现了小功率器件完成大功率变换；减少了功率器件的使用数量，简化了的控制电路节约了成本；避免了输出波形在上升和下降过程中出现台阶的影响；每级桥路做成独立模块形式，这样在实现高压逆变的条件将原有庞大笨重的装置拆分成几个体积小重量轻的小装置。

Description

一种输出级联式高压逆变装置

技术领域

本发明涉及一种地球物理探测中的电法探测仪器，尤其是适用于各种电法仪器的大功率高压逆变发射装置。

背景技术

电法仪器通常采用H桥路作为发射装置的功率变换主回路，常用的电力电子器件(比如IGBT、MOSFET)耐压大体上有1200V、1500V、1700V等，也有3kV、6kV耐压的，但成本都较高，受仪器参数的影响不太实用。在输出桥路的设计中，由于工艺、分布参数以及安全性的影响，一般工作电压选择额定值的三分之一到二分之一，大功率发射对功率器件的性能要求很高，大功率器件的价格又非常昂贵，同时如果功率器件长时间承受高电压其稳定性也相应降低，因此利用现有的单管桥路作为发射装置很难实现高压发射的目的。

目前大家多采用的办法就是功率器件的串联使用，将所要发射的电压平均分配到串联的功率器件上，这样就减小了每个功率器件的上的电压，实现高压发射的目的，但是这种方法存在的问题是功率器件的均压很复杂，很难保证串联的功率器件之间的电压平衡，从而更容易导致器件的损坏。

近年来提出了功率器件串联移相控制技术，通过对主电源分级，对各级电源移相控制，实现主电源的分级接入和撤离，解决主电路中功率器件的动态均压问题，但是这种控制技术增加了主控电路的复杂性；增加了主电源的级数；增加了移相控制电路和移相控制的功率器件。同时由于电源分级加入，对输出的波形也有一定得影响，在负载端得到的电压波形在上升和下降时呈现阶梯状。因此功率器件的串联使用很难得以广泛应用。

发明内容

本发明的目的就是针对上述现有技术的不足，提供一种输出级联式高压逆变装置。

本发明的目的是通过以下技术方按实现的：

桥路级联式高压逆变装置是采用级联式模块化结构，即每一级采用低电压设计，然后多级串联，实现高电压输出。每级桥路使用独立的电源，使各级桥路彼此隔离从而解决了单元级联时的动态均压和电压嵌位问题。输出桥路级联方式使每一个功率器件最高电压为本级桥路电源电压，控制每级桥路输出同步，使输出电压为各级桥路叠加，这种方式能够多级串联，达到增加输出电压目的。

输出级联式高压逆变装置，是由主控单元通过驱动信号合成分别连接驱动保护电路和输出级1、2、3....n，供电电池分别连接直流稳压电源和输出级1、2、3....n，输出级1和输出级n分别设有输出端，输出级1与输出级2、输出级3乃至输出级n串联连接，主控单元通过数据线连接人机交互界面，或者由主控单元、驱动信号合成和人机交互界面制成独立装置，再通过屏蔽电缆多级串联连接各个高压逆变装置，供电电池并联连接各个高压逆变装置，输出级1和输出级n分别设有输出端。

本发明的目的还可以通过以下技术方按实现：

驱动保护电路是由互锁电路经驱动电路的一路、过流检测连接电压吸收，驱动电路的另一路经阻尼电路、泻放回路连接电压吸收构成。

驱动信号合成是由基本频率产生电路经分频电路、合成电路与驱动保护电路连接，合成电路分别连接下降沿控制电路、上升沿控制电路、平顶控制电路和同步电路。

输出级包括正向输出和负向输出，正向输出电流流过的路径：E1→V11→R_负载→V24→E2→V21→V14→E1，负向输出电流流过的路径：E1→V12→V23→E2→V21→R_负载→V13→E1。

有益效果：本发明与现有技术相比其优点主要是：一是每级桥路使用独立的电源供电，使各级桥路彼此隔离从而解决了桥路级联时单元器件的动态均压和电压嵌位为题；二是每级采用低电压设计，然后多级串联实现了小功率器件完成大功率变换；三是减少了功率器件的使用数量，简化了的控制电路节约了成本；四是避免了输出波形在上升和下降过程中出现台阶的影响；五是每级桥路做成独立模块形式，这样在实现高压逆变的条件将原有庞大笨重的装置拆分成几个体积小重量轻的小装置。

附图说明

附图1：输出级联式高压逆变装置整体框图

附图2：为附图1驱动保护电路框图

附图3：为附图1驱动信号合成电路框图

附图4：桥路级联图

附图5：驱动信号及输出波形图

附图6：加保护电阻的桥路级联图

附图7：装置结构图

具体实施方式：

下面结合附图和实施例作进一步的详细说明：

桥路级联式高压逆变装置的设计思想是采用级联式模块化结构，即每一级采用低电压设计，然后多级串联，实现高电压输出。每级桥路使用独立的电源，使各级桥路彼此隔离从而解决了单元级联时的动态均压和电压嵌位问题。输出桥路级联方式使每一个功率器件最高电压为本级桥路电源电压，控制每级桥路输出同步，使输出电压为各级桥路叠加，这种方式可以多级串联，达到增加输出电压目的。

输出级联式高压逆变装置，是由主控单元通过驱动信号合成分别连接驱动保护电路和输出级1、2、3....n，供电电池分别连接直流稳压电源和输出级1、2、3....n，输出级1和输出级n分别设有输出端，输出级1与输出级2、输出级3乃至输出级n串联连接，主控单元通过数据线连接人机交互界面，或者由主控单元、驱动信号合成和人机交互界面制成独立装置，再通过屏蔽电缆多级串联连接各个高压逆变装置，供电电池并联连接各个高压逆变装置，输出级1和输出级n分别设有输出端。

驱动保护电路是由互锁电路经驱动电路的一路、过流检测连接电压吸收，驱动电路的另一路经阻尼电路、泻放回路连接电压吸收构成。

驱动信号合成是由基本频率产生电路经分频电路、合成电路与驱动保护电路连接，合成电路分别连接下降沿控制电路、上升沿控制电路、平顶控制电路和同步电路。

输出级包括正向输出和负向输出，正向输出电流流过的路径：E1→V11→R_负载→V24→E2→V21→V14→E1，负向输出电流流过的路径：E1→V12→V23→E2→V21→R_负载→V13→E1。

装置主要包括电源模块、输出模块、驱动保护电路、主控单元及人机交互四部分组成，电源模块使用24V蓄电池供电，采用的是DC/DC开关电源电路设计。每级输出模块采用H桥路设计，主控单元控制产生驱动信号通过驱动保护电路驱动每级输出桥路。实现高压脉冲信号的产生，达到高压逆变的目的。整体框图如图1所示，其中驱动保护电路如图2所示，驱动信号合成电路如图3所示。

桥路级联的工作原理，如附图4所示，假设要输出电压U_R＝2Ur。电压按级联的桥路平均分配E1＝E2＝Ur，并且相互独立。控制时序及输出波形如附图5。G1为V11、V14、V21、V24的栅极控制信号，G2为V12、V13、V22、V23的栅极控制信号，U_R为桥路级联后的负载上的输出波形。

当负载上输出正向脉冲波形(附图5中正向部分波形)时，桥路上的功率器件的导通过程如附图4中a所示，图中用带箭头的虚线标记出了电流流过的路径：E1→V11→R_负载→V24→E2→V21→V14→E1。此时每个桥路单元上的IGBT两端所承受的电压与单个桥路时的IGBT所承受的电压相同，与其它桥路的电源无关，这样功率器件就不会存在动态过压的问题。当负载上输出负向脉冲波形(附图5中负向部分波形)时，桥路上功率器件的导通过程如附图4中b所示，图中用带箭头的虚线标记出电流流过的路径：E1→V12→V23→E2→V21→R_负载→V13→E1。负载上输出波形为附图5中所示。输出电压为两个桥路电源(E1、E2)的电压之和，即U_R＝2Ur。

当驱动信号出现不一致的情况时，为了保证功率器件的安全工作，我们在每级桥路的输出端加入了均压电阻，如附图6所示，例如当第一级桥路中V14的驱动信号延迟Δt时间到达，而在这个Δt时间内，的电流流过路径E1→V11→R_负载→V24→E2→V21→V14→E1由于V14未导通而无法正常流通。此时第二级桥路就会从E2→V21→R2→V24这个通路流通。这样就防止两级电压加到同一个功率器件上，保证功率器件工作在安全范围之内。其中保护电阻R1和R2的取值要远大于负载电阻，这样才能保证装置正常运行时电流大部分都流过负载。

装置结构有两种方案，第一种方案是将各级桥路及主控单元、人机交互界面安装在一起，制作成一体的装置，这种方式适合于两级、三级桥路级联的方式，当级联桥路多时将会增加体积和重量，使整个装置显得庞大、笨重。第二种方案是将各级桥路分别制作成独立的装置，主控单元及人机交互界面制作成一个独立装置，然后通过屏蔽电缆及航空插头将各部分连接，这种方式级联桥路的数目不受限制，只要级联的桥路数目在允许的范围内即可。本发明采用的是第二种结构方案。

本发明与背景技术相比其优点主要表现在以下几个方面：第一，每级桥路使用独立的电源供电，使各级桥路彼此隔离从而解决了桥路级联时单元器件的动态均压和电压嵌位为题。第二，每级采用低电压设计，然后多级串联实现了小功率器件完成大功率变换。第三，减少了功率器件的使用数量，简化了的控制电路节约了成本。第四，避免了输出波形在上升和下降过程中出现台阶的影响。第五，每级桥路做成独立模块形式，这样在实现高压逆变的条件将原有庞大笨重的装置拆分成几个体积小重量轻的小装置。

高压逆变装置主要包括主控单元、人机交互界面、驱动信号合成、驱动保护电路、电源模块以及功率变换的输出模块组成，人机交互界面由键盘输入及液晶显示构成，通过键盘输入控制参数，液晶显示参数的设置过程及装置的工作运行状态。主控单元根据键盘输入的参数控制驱动信号合成单元产生驱动信号，然后通过屏蔽电缆送给驱动保护电路，每级的驱动保护电路分别控制本级的输出桥路。然后各级桥路级联后输出。

Claims (3)

1.一种输出级联式高压逆变装置，其特征在于，输出级1与输出级2、输出级3乃至输出级n串联连接，输出级1和输出级n分别设有输出端；由主控单元、驱动信号合成和人机交互界面制成独立装置，该独立装置通过屏蔽电缆分别连接多级串联的各个高压逆变单元；每个高压逆变单元包括驱动保护电路、直流稳压电源和对应的输出级；即由主控单元通过驱动信号合成分别连接输出级1、2、3....n所对应的驱动保护电路上，该驱动保护电路再连接到它所对应的输出级上；供电电池分别连接输出级1、2、3....n所对应的直流稳压电源，该直流稳压电源再连接到它所对应的输出级上；主控单元通过数据线连接人机交互界面。

2.按照权利要求1所述的一种输出级联式高压逆变装置，其特征在于，驱动保护电路是由互锁电路经驱动电路的一路、过流检测连接电压吸收，驱动电路的另一路经阻尼电路、泻放回路连接电压吸收构成。

3.按照权利要求1所述的一种输出级联式高压逆变装置，其特征在于，驱动信号合成是由基本频率产生电路经分频电路、合成电路与驱动保护电路连接，合成电路分别连接下降沿控制电路、上升沿控制电路、平顶控制电路和同步电路。

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