CN105375803A - 瞬变电磁法电性源五电平发射电路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种瞬变电磁法电性源五电平发射电路，是由控制及其保护电路经三项可控整流电路、DC/DC和五电平发射桥路与大地负载连接，五电平发射桥路经驱动及其保护电路、合成电路和分频电路与基准频率产生电路连接，合成电路分别与上升沿控制电路、下降沿控制电路、评顶控制电路和同步电路连接构成。电路中每个功率器件承受的最高电压为直流母线电压的四分之一，改进的五电平拓扑将钳位二极管的电压钳制在单个电平以内，解决了多电平输出钳位二极管反向恢复问题。电路中输出任何电平时都保持8个MOSFET管开启，8个OSFET管关断；相邻电平之间切换只切换2个MOSFET管，保证了良好的稳定性。与现有设备相比有较小的dv/dt，降低了绝缘冲击与电磁干扰。

Description

瞬变电磁法电性源五电平发射电路

技术领域

本发明涉及一种瞬变电磁中的电法探测仪器，尤其是高电压高频率的大功率电法探测仪器的发射电路。

背景技术

瞬变电磁探测的原理是通过通过电性源或者磁性源在大地中形成变化的磁场，通过该变化的磁场感应出的二次场来计算地下介质的电阻率等参数，来达到确定地下结构的目的。瞬变电磁探测的深度一般与发射信号的强度呈正相关，发射电压越高，其探测深度越深。而其探测精度与发射信号的频率呈正相关，发射信号频率越强，其探测出的地质结构越精确。

在目前的瞬变电磁探测仪器中，其供电方式大多以直流电源逆变产生的双极性方波作为输入信号，通过其产生的变化的磁场或者电场来激发二次场的产生。其逆变电路的主要器件选用MOSFET和IGBT。其中IGBT可承受电压较高，但关断时间较MOSFET管长，主要在高电压、大功率、低频率的电性源探测上应用；而MOSFET管可承受电压较IGBT低，但相较于IGBT，MOSFET管在关断时间上有明显的优势，所以其主要应用于低电压、大电流、高频率的磁性源探测中。而在高电压高频率领域产生高深度高精度的探测，是目前瞬变电磁探测仪器的难点。

目前在电力电子技术中采用的功率元件串联使用，由于其很难保证各串联的功率器件上的电压平衡，更容易导致器件的损坏，所以很难在造价较高的探测仪器中应用。而最近提出的功率元件串联使用移相控制技术，由于其主电路复杂，要实现主电源的接入与分级，在探测仪器上应用会很大程度上增加其体积，而且在操作环境恶劣时稳定性较差，所以难以得到广泛推广。

CN103973147A公开了一种“多电平高压电性源电磁发射电路”其采用较为简单的多电平控制策略有效的将IGBT上的电压降为直流母线电压的二分之一，在升压方面取得了明显的效果；但与电性源探测高达1500V甚至2000V的电压相比，其减半后开关器件的频率仍然未有明显提升。同时，其采用的三电平发射方案在钳位二极管的分压问题上未能很好解决，不利于具体实施方案中器件的选择与应用。

发明内容

本发明内容针对上述现有技术的不足，提供一种在时间域与频率域同时适用的高电压高频率瞬变电磁法电性源五电平发射电路。主要特性在于电路的输出频率很高使仍然可以保持高电压的输出，解决了钳位二极管上分布电压问题。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

瞬变电磁法电性源五电平发射电路，是由控制及其保护电路经三项可控整流电路、DC/DC和五电平发射桥路与大地负载连接，五电平发射桥路经驱动及其保护电路、合成电路和分频电路与基准频率产生电路连接，合成电路分别与上升沿控制电路、下降沿控制电路、平顶控制电路和同步电路连接构成。

五电平高压高频电磁法发射电路，该电路输出在单极性上分为五个电平，四个相同的直流电压E₁，E_2，E₃，E₄通过多电平回路连接到大地负载。

五电平发射桥路由16个MOSFET(S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆、S₇、S₈、S₉、S₁₀、S₁₁、S₁₂、S₁₃、S₁₄、S₁₅、S₁₆)、16个续流二极管(VD₁、VD₂、VD₃、VD₄、VD₅、VD₆、VD₇、VD₈、VD₉、VD₁₀、VD₁₁、VD₁₂、VD₁₃、VD₁₄、VD₁₅、VD₁₆)，22个反向并联钳位二极管(D₁、D₂、D₃、D₄、D₅、D₆、D₇、D₈、D₉、D₁₀、D₁₁、D₁₂、D₁₃、D₁₄、D₁₅、D₁₆、D₁₇、D₁₈、D₁₉、D₂₀、D₂₁、D₂₂)组成。

电源E1、E2、E3、E4先串联，然后再与五电平发射桥路并联。多电平发射桥路分为四个桥臂，每个桥臂分为四个开关器件MOSFET与四个反向续流二极管VD组成：第一桥臂中S₁与VD₁并联，S₂与VD₂并联，S₃与VD₃并联，S₄与VD₄并联，然后四者依次串联组成第一桥臂，其中S₁与S₂连接点记为F₁，S₂与S₃连接点记为F₂，S₃与S₄连接点记为F₃；第二桥臂中S₅与VD₅并联，S₆与VD₆并联，S₇与VD₇并联，S₈与VD₈并联，然后四者依次串联组成第二桥臂，其中S₅与S₆连接点记为F₄，S₆与S₇连接点记为F₅，S₇与S₈连接点记为F₆；第三桥臂中S₉与VD₉并联，S₁₀与VD₁₀并联，S₁₁与VD₁₁并联，S₁₂与VD₁₂并联，然后四者依次串联组成第三桥臂，其中S₉与S₁₀连接点记为F₇，S₁₀与S₁₁连接点记为F₈，S₁₁与S₁₂连接点记为F₉；第四桥臂中S₁₃与VD₁₃并联，S₁₄与VD₁₄并联，S₁₅与VD₁₅并联，S₁₆与VD₁₆并联，然后四者依次串联组成第四桥臂，其中其中S₁₃与S₁₄连接点记为F₁₀，S₁₄与S₁₅连接点记为F₁₁，S₁₅与S₁₆连接点记为F₁₂。

电源电源E₁、E₂、E₃、E₄其电压值相同，均为E，按照顺序依次串联。其中E₁的正极记为O₀，E₁与E₂的连接点记为O₁，E₂与E₃的连接点记为O₂，E₃与E₄的连接点记为O₃，E₄的负极记为O₄。钳位二极管D₁、D₂、D₃、D₄、D₅、D₆按顺序反向串联后并联于F₁与F₆两端，其中D₁与D₂的连接点记为M₁，D₂与D₃的连接点记为M₂，D₃与D₄的连接点记为M₃，D₄与D₅的连接点记为M₄，D₅与D₆的连接点记为M₆。钳位二极管D₇、D₈、D₉、D₁₀按顺序反向串联后并联于F₂与F₅两端，其中D₇与D₈的连接点记为M₆，D₈与D₉的连接点记为M₇，D₉与D₁₀的连接点记为M₈。钳位二极管D₁₁、D₁₂按顺序反向串联后并联于F₃与F₄两端，D₁₁与D₁₂的连接点记为M₉。

钳位二极管D₁₃、D₁₄、D₁₅、D₁₆、D₁₇、D₁₈按顺序反向串联后并联于F₇与F₁₂两端，其中D₁₃与D₁₄的连接点记为M₁₀，D₁₄与D₁₅的连接点记为M₁₁，D₁₅与D₁₆的连接点记为M₁₂，D₁₆与D₁₇的连接点记为M₁₃，D₁₇与D₁₈的连接点记为M₁₄。钳位二极管D₁₉、D₂₀、D₂₁、D₂₂按顺序反向串联后并联于F₈与F₁₁两端，其中D₁₉与D₂₀的连接点记为M₁₅，D₂₀与D₂₁的连接点记为M₁₆，D₂₁与D₂₂的连接点记为M₁₇。钳位二极管D₂₃、D₂₄按顺序反向串联后并联于F₉与F₁₀两端，D₂₃与D₂₄的连接点记为M₁₈。

上述各个部分的连接方式如下：O₁与M₁、O₁与M₁₀、O₂与M₃、O₂与M₁₂、O₃与M₅、O₃与M₁₄均通过导线直接连接。M₂与M₆、M₄与M₈、M₇与M₉均通过导线直接连接。M₁₁与M₁₅、M₁₃与M₁₇，M₁₆与M₁₈均通过直导线直接连接。第一桥臂与第二桥臂串联，其连接点为A。第三桥臂与第四桥臂串联，其连接点为B。该两部分串联结构并联后与电源相并联，组成五电平发射回路。大地负载接在A，B之间

R是大地等效电阻，L是接地导线的等效电感。

选取E₂与E₃连接点的O₂作为0电位点，则O₀电位为2E，O₁电位为E，O₃电位为-E，O₄电位为-2E。

在此种多电平控制策略中，AB两点间共存在九种电压值。

(1)第一桥臂与第二桥臂上S₃、S₄、S₅、S₆开通，S₁、S₂、S₇、S₈关断，A点电位经路线D₃、D₇、S₃、S₄和D₄、D₁₀、S₅、S₆与O₂点连接，其电位为0电位；第三桥臂与第四桥臂上S₁₁、S₁₂、S₁₃、S₁₄开通，S₉、S₁₀、S₁₅、S₁₆关断，B点电位亦为0，此时AB间电压为0。

(2)第一桥臂与第二桥臂上S₂、S₃、S₄、S₅开通，S₁、S₆、S₇、S₈关断，经路线D₁、S₂、S₃、S₄和D₂，D₈，D₁₂，S₅，使A点电位与O₁相同，其电位为E；第三桥臂与第四桥臂上S₁₁、S₁₂、S₁₃、S₁₄开通，S₉、S₁₀、S₁₅、S₁₆关断，B点电位仍为0。此时AB间电压为E。

(3)第一桥臂与第二桥臂上S₂、S₃、S₄、S₅开通，S₁、S₆、S₇、S₈关断，A点电位为E。第三桥臂与第四桥臂上S₁₂、S₁₃、S₁₄、S₁₅开通，S₉、S₁₀、S₁₁、S₁₆关断，经路线D₁₇、D₂₁、D₂₃、S₁₂和S₁₃、S₁₄、S₁₅、D₁₈，使B点取得与O3点相同的-E电位。此时AB间电压为2E。

(4)第一桥臂与第二桥臂上S₁、S₂、S₃、S₄开通，S₅、S₆、S₇、S₈关断，A点经S₁、S₂、S₃、S₄连接与O₀点取得相同的电位2E。第三桥臂与第四桥臂上S₁₂、S₁₃、S₁₄、S₁₅开通，S₉、S₁₀、S₁₁、S₁₆关断，B点电位为-E。此时AB间电压为3E。

(5)第一桥臂与第二桥臂上S₁、S₂、S₃、S₄开通，S₅、S₆、S₇、S₈关断，A点经S₁、S₂、S₃、S₄连接与O₀点取得相同的电位2E。第三桥臂与第四桥臂上S₁₃、S₁₄、S₁₅、S₁₆开通，S₉、S₁₀、S₁₁、S₁₂关断，B点经S₁₃、S₁₄、S₁₅、S₁₆连接与O₄点取得相同的电位-2E。此时AB间电压为4E。

(6)第一桥臂与第二桥臂上S₃、S₄、S₅、S₆开通，S₁、S₂、S₇、S₈关断，A点为0电位。第三桥臂与第四桥臂上S₁₀、S₁₁、S₁₂、S₁₃开通，S₉、S₁₄、S₁₅、S₁₆关断，经路线D₁₃、S₁₀、S₁₁、S₁₂和S₁₃、D₂₄、D₂₀、D₁₄，使B点取得与O1相同的电位E。此时AB间电压为-E。

(7)第一桥臂与第二桥臂上S₄、S₅、S₆、S₇开通，S₁、S₂、S₃、S₈关断，经路线D₅、D₉、D₁₁、S₄和S₅、S₆、S₇、D₆，使A点电位与O₃相同，其电位为-E；第三桥臂与第四桥臂上S₁₀、S₁₁、S₁₂、S₁₃开通，S₉、S₁₄、S₁₅、S₁₆关断，B点电位为E。此时AB间电压为-2E。

(8)第一桥臂与第二桥臂上S₄、S₅、S₆、S₇开通，S₁、S₂、S₃、S₈关断，A点电位为-E；第三桥臂与第四桥臂上S₉、S₁₀、S₁₁、S₁₂开通，S₁₃、S₁₄、S₁₅、S₁₆关断，经路线S₉、S₁₀、S₁₁、S₁₂连接，B点取得与O₀点相同的电位2E。此时AB间电压为-3E。

(9)第一桥臂与第二桥臂上S₅、S₆、S₇、S₈开通，S₁、S₂、S₃、S₄关断，A点经S₅、S₆、S₇、S₈与O₄连接，电位为-2E。第三桥臂与第四桥臂上S₉、S₁₀、S₁₁、S₁₂开通，S₁₃、S₁₄、S₁₅、S₁₆关断，B点电位为2E。此时AB间电压为-4E

在单一极性上，负载电压的上升沿分为四个阶段，0→E→2E→3E→4E；负载电压的平顶段保持在4E；负载电压的下降沿也分为四个阶段，4E→3E→2E→E→0。

有益效果：(1)电路中每个功率器件承受的最高电压为直流母线电压的四分之一，可以用高频率的MOSFET管实现大电压的输出。(2)改进的五电平拓扑将钳位二极管的电压钳制在单个电平以内，解决了多电平输出钳位二极管反向恢复问题。(3)电路中输出任何电平时都保持8个MOSFET管开启，8个MOSFET管关断；而且相邻电平之间切换只切换2个MOSFET管的状态，控制策略上的简单保证了良好的稳定性。(4)高压逆变桥路在半周期内输出为五电平阶跃上升，与现有设备相比有较小的dv/dt，降低了绝缘冲击与电磁干扰。(5)MOSFET管可以在高电压下高频率的输出，同时保证了探测的深度与精度。(6)发射电路满足频率域电磁法500kHz之内的应用需求，具有明显的优越性。

附图说明：

图1为瞬变电磁法电性源五电平发射电路结构框图

图2为图1中五电平发射桥路拓扑结构图

图3为时间域输出及其驱动信号的波形图

图4为频率域输出及其驱动信号的波形图

图5为发射系统输出电压与开关元件开关状态对应的关系图(0表示关断，1表示开通)。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

瞬变电磁法电性源五电平发射电路，是由控制及其保护电路经三项可控整流电路、DC/DC和五电平发射桥路与大地负载连接，五电平发射桥路经驱动及其保护电路、合成电路和分频电路与基准频率产生电路连接，合成电路分别与上升沿控制电路、下降沿控制电路、评顶控制电路和同步电路连接构成。

多电平高压高频电磁法发射电路，该电路输出在单极性上分为五个电平，四个相同的直流电压E₁，E_2，E₃，E₄通过多电平回路连接到大地负载。

多电平发射桥路由16个MOSFET(S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆、S₇、S₈、S₉、S₁₀、S₁₁、S₁₂、S₁₃、S₁₄、S₁₅、S₁₆)、16个续流二极管(VD₁、VD₂、VD₃、VD₄、VD₅、VD₆、VD₇、VD₈、VD₉、VD₁₀、VD₁₁、VD₁₂、VD₁₃、VD₁₄、VD₁₅、VD₁₆)，22个反向并联钳位二极管(D₁、D₂、D₃、D₄、D₅、D₆、D₇、D₈、D₉、D₁₀、D₁₁、D₁₂、D₁₃、D₁₄、D₁₅、D₁₆、D₁₇、D₁₈、D₁₉、D₂₀、D₂₁、D₂₂)组成。

电源E1、E2、E3、E4先串联，然后再与多电平发射桥路并联。多电平发射桥路分为四个桥臂，每个桥臂分为四个开关器件MOSFET与四个反向续流二极管VD组成：

第一桥臂中S₁与VD₁并联，S₂与VD₂并联，S₃与VD₃并联，S₄与VD₄并联，然后四者依次串联组成第一桥臂，其中S₁与S₂连接点记为F₁，S₂与S₃连接点记为F₂，S₃与S₄连接点记为F₃；

第二桥臂中S₅与VD₅并联，S₆与VD₆并联，S₇与VD₇并联，S₈与VD₈并联，然后四者依次串联组成第二桥臂，其中S₅与S₆连接点记为F₄，S₆与S₇连接点记为F₅，S₇与S₈连接点记为F₆；

第三桥臂中S₉与VD₉并联，S₁₀与VD₁₀并联，S₁₁与VD₁₁并联，S₁₂与VD₁₂并联，然后四者依次串联组成第三桥臂，其中S₉与S₁₀连接点记为F₇，S₁₀与S₁₁连接点记为F₈，S₁₁与S₁₂连接点记为F₉；

第四桥臂中S₁₃与VD₁₃并联，S₁₄与VD₁₄并联，S₁₅与VD₁₅并联，S₁₆与VD₁₆并联，然后四者依次串联组成第四桥臂，其中其中S₁₃与S₁₄连接点记为F₁₀，S₁₄与S₁₅连接点记为F₁₁，S₁₅与S₁₆连接点记为F₁₂。

电源电源E₁、E₂、E₃、E₄其电压值相同，均为E，按照顺序依次串联。其中E₁的正极记为O₀，E₁与E₂的连接点记为O₁，E₂与E₃的连接点记为O₂，E₃与E₄的连接点记为O₃，E₄的负极记为O₄。钳位二极管D₁、D₂、D₃、D₄、D₅、D₆按顺序反向串联后并联于F₁与F₆两端，其中D₁与D₂的连接点记为M₁，D₂与D₃的连接点记为M₂，D₃与D₄的连接点记为M₃，D₄与D₅的连接点记为M₄，D₅与D₆的连接点记为M₆。钳位二极管D₇、D₈、D₉、D₁₀按顺序反向串联后并联于F₂与F₅两端，其中D₇与D₈的连接点记为M₆，D₈与D₉的连接点记为M₇，D₉与D₁₀的连接点记为M₈。钳位二极管D₁₁、D₁₂按顺序反向串联后并联于F₃与F₄两端，D₁₁与D₁₂的连接点记为M₉。

钳位二极管D₁₃、D₁₄、D₁₅、D₁₆、D₁₇、D₁₈按顺序反向串联后并联于F₇与F₁₂两端，其中D₁₃与D₁₄的连接点记为M₁₀，D₁₄与D₁₅的连接点记为M₁₁，D₁₅与D₁₆的连接点记为M₁₂，D₁₆与D₁₇的连接点记为M₁₃，D₁₇与D₁₈的连接点记为M₁₄。钳位二极管D₁₉、D₂₀、D₂₁、D₂₂按顺序反向串联后并联于F₈与F₁₁两端，其中D₁₉与D₂₀的连接点记为M₁₅，D₂₀与D₂₁的连接点记为M₁₆，D₂₁与D₂₂的连接点记为M₁₇。钳位二极管D₂₃、D₂₄按顺序反向串联后并联于F₉与F₁₀两端，D₂₃与D₂₄的连接点记为M₁₈。

上述各个部分的连接方式如下：O₁与M₁、O₁与M₁₀、O₂与M₃、O₂与M₁₂、O₃与M₅、O₃与M₁₄均通过导线直接连接。M₂与M₆、M₄与M₈、M₇与M₉均通过导线直接连接。M₁₁与M₁₅、M₁₃与M₁₇，M₁₆与M₁₈均通过直导线直接连接。第一桥臂与第二桥臂串联，其连接点为A。第三桥臂与第四桥臂串联，其连接点为B。该两部分串联结构并联后与电源相并联，组成五电平发射回路。大地负载接在A，B之间

R是大地等效电阻，L是接地导线的等效电感。

选取E₂与E₃连接点的O₂作为0电位点，则O₀电位为2E，O₁电位为E，O₃电位为-E，O₄电位为-2E。

在此种多电平控制策略中，AB两点间共存在九种电压值。

(1)第一桥臂与第二桥臂上S₃、S₄、S₅、S₆开通，S₁、S₂、S₇、S₈关断，A点电位经路线D₃、D₇、S₃、S₄和D₄、D₁₀、S₅、S₆与O₂点连接，其电位为0电位；第三桥臂与第四桥臂上S₁₁、S₁₂、S₁₃、S₁₄开通，S₉、S₁₀、S₁₅、S₁₆关断，B点电位亦为0，此时AB间电压为0。

(2)第一桥臂与第二桥臂上S₂、S₃、S₄、S₅开通，S₁、S₆、S₇、S₈关断，经路线D₁、S₂、S₃、S₄和D₂，D₈，D₁₂，S₅，使A点电位与O₁相同，其电位为E；第三桥臂与第四桥臂上S₁₁、S₁₂、S₁₃、S₁₄开通，S₉、S₁₀、S₁₅、S₁₆关断，B点电位仍为0。此时AB间电压为E。

(3)第一桥臂与第二桥臂上S₂、S₃、S₄、S₅开通，S₁、S₆、S₇、S₈关断，A点电位为E。第三桥臂与第四桥臂上S₁₂、S₁₃、S₁₄、S₁₅开通，S₉、S₁₀、S₁₁、S₁₆关断，经路线D₁₇、D₂₁、D₂₃、S₁₂和S₁₃、S₁₄、S₁₅、D₁₈，使B点取得与O3点相同的-E电位。此时AB间电压为2E。

(4)第一桥臂与第二桥臂上S₁、S₂、S₃、S₄开通，S₅、S₆、S₇、S₈关断，A点经S₁、S₂、S₃、S₄连接与O₀点取得相同的电位2E。第三桥臂与第四桥臂上S₁₂、S₁₃、S₁₄、S₁₅开通，S₉、S₁₀、S₁₁、S₁₆关断，B点电位为-E。此时AB间电压为3E。

(5)第一桥臂与第二桥臂上S₁、S₂、S₃、S₄开通，S₅、S₆、S₇、S₈关断，A点经S₁、S₂、S₃、S₄连接与O₀点取得相同的电位2E。第三桥臂与第四桥臂上S₁₃、S₁₄、S₁₅、S₁₆开通，S₉、S₁₀、S₁₁、S₁₂关断，B点经S₁₃、S₁₄、S₁₅、S₁₆连接与O₄点取得相同的电位-2E。此时AB间电压为4E。

(6)第一桥臂与第二桥臂上S₃、S₄、S₅、S₆开通，S₁、S₂、S₇、S₈关断，A点为0电位。第三桥臂与第四桥臂上S₁₀、S₁₁、S₁₂、S₁₃开通，S₉、S₁₄、S₁₅、S₁₆关断，经路线D₁₃、S₁₀、S₁₁、S₁₂和S₁₃、D₂₄、D₂₀、D₁₄，使B点取得与O1相同的电位E。此时AB间电压为-E。

(7)第一桥臂与第二桥臂上S₄、S₅、S₆、S₇开通，S₁、S₂、S₃、S₈关断，经路线D₅、D₉、D₁₁、S₄和S₅、S₆、S₇、D₆，使A点电位与O₃相同，其电位为-E；第三桥臂与第四桥臂上S₁₀、S₁₁、S₁₂、S₁₃开通，S₉、S₁₄、S₁₅、S₁₆关断，B点电位为E。此时AB间电压为-2E。

(8)第一桥臂与第二桥臂上S₄、S₅、S₆、S₇开通，S₁、S₂、S₃、S₈关断，A点电位为-E；第三桥臂与第四桥臂上S₉、S₁₀、S₁₁、S₁₂开通，S₁₃、S₁₄、S₁₅、S₁₆关断，经路线S₉、S₁₀、S₁₁、S₁₂连接，B点取得与O₀点相同的电位2E。此时AB间电压为-3E。

(9)第一桥臂与第二桥臂上S₅、S₆、S₇、S₈开通，S₁、S₂、S₃、S₄关断，A点经S₅、S₆、S₇、S₈与O₄连接，电位为-2E。第三桥臂与第四桥臂上S₉、S₁₀、S₁₁、S₁₂开通，S₁₃、S₁₄、S₁₅、S₁₆关断，B点电位为2E。此时AB间电压为-4E

在单一极性上，负载电压的上升沿分为四个阶段，0→E→2E→3E→4E；负载电压的平顶段保持在4E；负载电压的下降沿也分为四个阶段，4E→3E→2E→E→0。

五电平高压高频电性源发射系统可以用来分别发射时间域与频率域的激励波形，其控制方式如图3与图4所示。

对于时间域发射来说，其发射波形周期为T，而每个中间电平时间相同，均为τ，如图3所示，其基本步骤如下：

在0～τ时间段内，S₂、S₃、S₄、S₅、S₁₁、S₁₂、S₁₃、S₁₄开通，S₁、S₆、S₇、S₈、S₉、S₁₀、S₁₅、S₁₆关断，AB间电压为E。经计算其电压跟电流表达式如下式(1)所示。

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{AB}\left(t\right)=E\\ I_{AB}\left(t\right)=\frac{E}{R}(1-e^{-\frac{R}{L}t})\end{array}\right.---\left(1\right)$

在τ～2τ时间段内，S₂、S₃、S₄、S₅、S₁₂、S₁₃、S₁₄、S₁₅开通，S₁、S₆、S₇、S₈、S₉、S₁₀、S₁₁、S₁₆关断，AB间电压为2E。经计算其电压跟电流表达式如下式(2)所示。

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{AB}\left(t\right)=2E\\ I_{AB}\left(t\right)=\frac{E}{R}\[2-e^{-\frac{R}{L}(t-\mathrm{\τ})}\]\end{array}\right.---\left(2\right)$

在2τ～3τ时间段内，S₁、S₂、S₃、S₄、S₁₂、S₁₃、S₁₄、S₁₅开通，S₅、S₆、S₇、S₈、S₉、S₁₀、S₁₁、S₁₆关断，AB间电压为3E。经计算其电压跟电流表达式如下式(3)所示。

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{AB}\left(t\right)=3E\\ I_{AB}\left(t\right)=\frac{E}{R}\[3-e^{-\frac{R}{L}(t-2\mathrm{\τ})}\]\end{array}\right.---\left(3\right)$

在3τ～T/4-3τ时间段内，S₁、S₂、S₃、S₄、S₁₃、S₁₄、S₁₅、S₁₆开通，S₅、S₆、S₇、S₈、S₉、S₁₀、S₁₁、S₁₂关断，AB间电压为4E。经计算其电压跟电流表达式如下式(4)所示。

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{AB}\left(t\right)=4E\\ I_{AB}\left(t\right)=\frac{E}{R}\[4-e^{-\frac{R}{L}(t-3\mathrm{\τ})}\]\end{array}\right.---\left(4\right)$

在T/4-3τ～T/4-2τ时间段内，S₁、S₂、S₃、S₄、S₁₂、S₁₃、S₁₄、S₁₅开通，S₅、S₆、S₇、S₈、S₉、S₁₀、S₁₁、S₁₆关断，AB间电压为3E。经计算其电压跟电流表达式如下式(5)所示。

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{AB}\left(t\right)=3E\\ I_{AB}\left(t\right)=\frac{E}{R}\[1+e^{-\frac{R}{L}(t-\frac{T}{4}+3\mathrm{\τ})}\]\end{array}\right.---\left(5\right)$

在T/4-2τ～T/4-τ时间段内，S₂、S₃、S₄、S₅、S₁₂、S₁₃、S₁₄、S₁₅开通，S₁、S₆、S₇、S₈、S₉、S₁₀、S₁₁、S₁₆关断，AB间电压为2E。经计算其电压跟电流表达式如下式(6)所示。

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{AB}\left(t\right)=2E\\ I_{AB}\left(t\right)=\frac{E}{R}\[2+e^{-\frac{R}{L}(t-\frac{T}{4}+2\mathrm{\τ})}\]\end{array}\right.---\left(6\right)$

在T/4-τ～T/4时间段内，S₂、S₃、S₄、S₅、S₁₁、S₁₂、S₁₃、S₁₄开通，S₁、S₆、S₇、S₈、S₉、S₁₀、S₁₅、S₁₆关断，AB间电压为E。经计算其电压跟电流表达式如下式(7)所示。

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{AB}\left(t\right)=E\\ I_{AB}\left(t\right)=\frac{E}{R}\[1+e^{-\frac{R}{L}(t-\frac{T}{4}+\mathrm{\τ})}\]\end{array}\right.---\left(7\right)$

在T/4～T/2时间段内，S₃、S₄、S₅、S₆、S₁₁、S₁₂、S₁₃、S₁₄开通，S₁、S₂、S₇、S₈、S₉、S₁₀、S₁₅、S₁₆关断，AB间电压为0。经计算其电压跟电流表达式如下式(8)所示。

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{AB}\left(t\right)=0\\ I_{AB}\left(t\right)=\frac{E}{R}{e}^{-\frac{R}{L}(t-\frac{T}{4})}\end{array}\right.---\left(8\right)$

在0～T/2时间段内，负载电流经历了一个正向的上升，平顶段保持、下降为零、保持零过程。在T/2～T，时间段内，负载电流是一个反向的上升，平顶段保持、下降为零、保持零的过程。在此不再赘述。

对于频率域发射来说，其发射波形周期为T，而每个中间电平时间相同，均为τ，如图4所示，其基本步骤如下：

在0～τ时间段内，S₂、S₃、S₄、S₅、S₁₁、S₁₂、S₁₃、S₁₄开通，S₁、S₆、S₇、S₈、S₉、S₁₀、S₁₅、S₁₆关断，AB间电压为E。经计算其电压跟电流表达式如下式(9)所示。

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{AB}\left(t\right)=E\\ I_{AB}\left(t\right)=\frac{E}{R}(1-e^{-\frac{R}{L}t})\end{array}\right.---\left(9\right)$

在τ～2τ时间段内，S₂、S₃、S₄、S₅、S₁₂、S₁₃、S₁₄、S₁₅开通，S₁、S₆、S₇、S₈、S₉、S₁₀、S₁₁、S₁₆关断，AB间电压为2E。经计算其电压跟电流表达式如下式(10)所示。

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{AB}\left(t\right)=2E\\ I_{AB}\left(t\right)=\frac{E}{R}\[2-e^{-\frac{R}{L}(t-\mathrm{\τ})}\]\end{array}\right.---\left(10\right)$

在2τ～3τ时间段内，S₁、S₂、S₃、S₄、S₁₂、S₁₃、S₁₄、S₁₅开通，S₅、S₆、S₇、S₈、S₉、S₁₀、S₁₁、S₁₆关断，AB间电压为3E。经计算其电压跟电流表达式如下式(11)所示。

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{AB}\left(t\right)=3E\\ I_{AB}\left(t\right)=\frac{E}{R}\[3-e^{-\frac{R}{L}(t-2\mathrm{\τ})}\]\end{array}\right.---\left(11\right)$

在3τ～T/2-3τ时间段内，S₁、S₂、S₃、S₄、S₁₃、S₁₄、S₁₅、S₁₆开通，S₅、S₆、S₇、S₈、S₉、S₁₀、S₁₁、S₁₂关断，AB间电压为4E。经计算其电压跟电流表达式如下式(12)所示。

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{AB}\left(t\right)=4E\\ I_{AB}\left(t\right)=\frac{E}{R}\[4-e^{-\frac{R}{L}(t-3\mathrm{\τ})}\]\end{array}\right.---\left(12\right)$

在T/2-3τ～T/2-2τ时间段内，S₁、S₂、S₃、S₄、S₁₂、S₁₃、S₁₄、S₁₅开通，S₅、S₆、S₇、S₈、S₉、S₁₀、S₁₁、S₁₆关断，AB间电压为3E。经计算其电压跟电流表达式如下式(13)所示。

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{AB}\left(t\right)=3E\\ I_{AB}\left(t\right)=\frac{E}{R}\[3+e^{-\frac{R}{L}(t-\frac{T}{2}+3\mathrm{\τ})}\]\end{array}\right.---\left(13\right)$

在T/2-2τ～T/2-τ时间段内，S₂、S₃、S₄、S₅、S₁₂、S₁₃、S₁₄、S₁₅开通，S₁、S₆、S₇、S₈、S₉、S₁₀、S₁₁、S₁₆关断，AB间电压为2E。经计算其电压跟电流表达式如下式(14)所示。

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{AB}\left(t\right)=2E\\ I_{AB}\left(t\right)=\frac{E}{R}\[2+e^{-\frac{R}{L}(t-\frac{T}{2}+2\mathrm{\τ})}\]\end{array}\right.---\left(14\right)$

在T/2-τ～T/2时间段内，S₂、S₃、S₄、S₅、S₁₁、S₁₂、S₁₃、S₁₄开通，S₁、S₆、S₇、S₈、S₉、S₁₀、S₁₅、S₁₆关断，AB间电压为E。经计算其电压跟电流表达式如下式(15)所示。

$\left\{\begin{array}{c}{U}_{AB}\left(t\right)=E\\ I_{AB}\left(t\right)=\frac{E}{R}\[1+e^{-\frac{R}{L}(t-\frac{T}{2}+\mathrm{\τ})}\]\end{array}\right.---\left(15\right)$

在0～T/2时间段内，负载电流经历了一个正向的上升，平顶段保持、下降为零、保持零过程。在T/2～T，时间段内，负载电流是一个反向的上升，平顶段保持、下降为零、保持零的过程。在此不再赘述。

Claims (10)

1.一种瞬变电磁法电性源五电平发射电路，是由控制及其保护电路经三项可控整流电路、DC/DC和五电平发射桥路与大地负载连接组成，其特征在于，五电平发射桥路经驱动及其保护电路、合成电路和分频电路与基准频率产生电路连接，合成电路分别与上升沿控制电路、下降沿控制电路、平顶控制电路和同步电路连接构成。

2.按照权利要求1所述的瞬变电磁法电性源五电平发射电路，其特征在于，五电平发射桥路的输出在单极性上分为五个电平，四个相同的直流电压E₁，E_2，E₃，E₄通过多电平回路连接到大地负载。

3.按照权利要求1所述的瞬变电磁法电性源五电平发射电路，其特征在于，五电平发射桥路由16个MOSFET：S₁、S₂、S₃、S₄、S₅、S₆、S₇、S₈、S₉、S₁₀、S₁₁、S₁₂、S₁₃、S₁₄、S₁₅、S₁₆，16个续流二极管：VD₁、VD₂、VD₃、VD₄、VD₅、VD₆、VD₇、VD₈、VD₉、VD₁₀、VD₁₁、VD₁₂、VD₁₃、VD₁₄、VD₁₅、VD₁₆，22个反向并联钳位二极管：D₁、D₂、D₃、D₄、D₅、D₆、D₇、D₈、D₉、D₁₀、D₁₁、D₁₂、D₁₃、D₁₄、D₁₅、D₁₆、D₁₇、D₁₈、D₁₉、D₂₀、D₂₁、D₂₂组成。

4.按照权利要求2所述的瞬变电磁法电性源五电平发射电路，其特征在于，电源E1、E2、E3、E4先串联，然后再与多电平发射桥路并联，多电平发射桥路分为四个桥臂，每个桥臂分为四个开关器件MOSFET与四个反向续流二极管VD组成：

第一桥臂中S₁与VD₁并联，S₂与VD₂并联，S₃与VD₃并联，S₄与VD₄并联，然后四者依次串联组成第一桥臂，其中S₁与S₂连接点记为F₁，S₂与S₃连接点记为F₂，S₃与S₄连接点记为F₃；

第二桥臂中S₅与VD₅并联，S₆与VD₆并联，S₇与VD₇并联，S₈与VD₈并联，然后四者依次串联组成第二桥臂，其中S₅与S₆连接点记为F₄，S₆与S₇连接点记为F₅，S₇与S₈连接点记为F₆；

第三桥臂中S₉与VD₉并联，S₁₀与VD₁₀并联，S₁₁与VD₁₁并联，S₁₂与VD₁₂并联，然后四者依次串联组成第三桥臂，其中S₉与S₁₀连接点记为F₇，S₁₀与S₁₁连接点记为F₈，S₁₁与S₁₂连接点记为F₉；

第四桥臂中S₁₃与VD₁₃并联，S₁₄与VD₁₄并联，S₁₅与VD₁₅并联，S₁₆与VD₁₆并联，然后四者依次串联组成第四桥臂，其中其中S₁₃与S₁₄连接点记为F₁₀，S₁₄与S₁₅连接点记为F₁₁，S₁₅与S₁₆连接点记为F₁₂。

5.按照权利要求2所述的瞬变电磁法电性源五电平发射电路，其特征在于，电源E₁、E₂、E₃、E₄其电压值相同，均为E，按照顺序依次串联，其中E₁的正极记为O₀，E₁与E₂的连接点记为O₁，E₂与E₃的连接点记为O₂，E₃与E₄的连接点记为O₃，E₄的负极记为O₄，钳位二极管D₁、D₂、D₃、D₄、D₅、D₆按顺序反向串联后并联于F₁与F₆两端，其中D₁与D₂的连接点记为M₁，D₂与D₃的连接点记为M₂，D₃与D₄的连接点记为M₃，D₄与D₅的连接点记为M₄，D₅与D₆的连接点记为M₆，钳位二极管D₇、D₈、D₉、D₁₀按顺序反向串联后并联于F₂与F₅两端，其中D₇与D₈的连接点记为M₆，D₈与D₉的连接点记为M₇，D₉与D₁₀的连接点记为M₈，钳位二极管D₁₁、D₁₂按顺序反向串联后并联于F₃与F₄两端，D₁₁与D₁₂的连接点记为M₉。

6.按照权利要求3所述的瞬变电磁法电性源五电平发射电路，其特征在于，钳位二极管D₁₃、D₁₄、D₁₅、D₁₆、D₁₇、D₁₈按顺序反向串联后并联于F₇与F₁₂两端，其中D₁₃与D₁₄的连接点记为M₁₀，D₁₄与D₁₅的连接点记为M₁₁，D₁₅与D₁₆的连接点记为M₁₂，D₁₆与D₁₇的连接点记为M₁₃，D₁₇与D₁₈的连接点记为M₁₄。钳位二极管D₁₉、D₂₀、D₂₁、D₂₂按顺序反向串联后并联于F₈与F₁₁两端，其中D₁₉与D₂₀的连接点记为M₁₅，D₂₀与D₂₁的连接点记为M₁₆，D₂₁与D₂₂的连接点记为M₁₇。钳位二极管D₂₃、D₂₄按顺序反向串联后并联于F₉与F₁₀两端，D₂₃与D₂₄的连接点记为M₁₈。

7.按照权利要求5所述的瞬变电磁法电性源五电平发射电路，其特征在于，O与M的连接方式为：O₁与M₁、O₁与M₁₀、O₂与M₃、O₂与M₁₂、O₃与M₅、O₃与M₁₄均通过导线直接连接。M₂与M₆、M₄与M₈、M₇与M₉均通过导线直接连接，M₁₁与M₁₅、M₁₃与M₁₇，M₁₆与M₁₈均通过直导线直接连接。

8.按照权利要求4所述的瞬变电磁法电性源五电平发射电路，其特征在于，第一桥臂与第二桥臂串联，其连接点为A，第三桥臂与第四桥臂串联，其连接点为B，该两部分串联结构并联后与电源相并联，组成五电平发射回路，大地负载接在A，B之间；

R是大地等效电阻，L是接地导线的等效电感。

9.按照权利要求4所述的瞬变电磁法电性源五电平发射电路，其特征在于，选取E₂与E₃连接点的O₂作为0电位点，则O₀电位为2E，O₁电位为E，O₃电位为-E，O₄电位为-2E。

10.按照权利要求8所述的瞬变电磁法电性源五电平发射电路，其特征在于，AB两点间共存在九种电压值：

(1)第一桥臂与第二桥臂上S₃、S₄、S₅、S₆开通，S₁、S₂、S₇、S₈关断，A点电位经路线D₃、D₇、S₃、S₄和D₄、D₁₀、S₅、S₆与O₂点连接，其电位为0电位；第三桥臂与第四桥臂上S₁₁、S₁₂、S₁₃、S₁₄开通，S₉、S₁₀、S₁₅、S₁₆关断，B点电位亦为0，此时AB间电压为0；

(2)第一桥臂与第二桥臂上S₂、S₃、S₄、S₅开通，S₁、S₆、S₇、S₈关断，经路线D₁、S₂、S₃、S₄和D₂，D₈，D₁₂，S₅，使A点电位与O₁相同，其电位为E；第三桥臂与第四桥臂上S₁₁、S₁₂、S₁₃、S₁₄开通，S₉、S₁₀、S₁₅、S₁₆关断，B点电位仍为0。此时AB间电压为E；

(3)第一桥臂与第二桥臂上S₂、S₃、S₄、S₅开通，S₁、S₆、S₇、S₈关断，A点电位为E。第三桥臂与第四桥臂上S₁₂、S₁₃、S₁₄、S₁₅开通，S₉、S₁₀、S₁₁、S₁₆关断，经路线D₁₇、D₂₁、D₂₃、S₁₂和S₁₃、S₁₄、S₁₅、D₁₈，使B点取得与O3点相同的-E电位。此时AB间电压为2E；

(4)第一桥臂与第二桥臂上S₁、S₂、S₃、S₄开通，S₅、S₆、S₇、S₈关断，A点经S₁、S₂、S₃、S₄连接与O₀点取得相同的电位2E。第三桥臂与第四桥臂上S₁₂、S₁₃、S₁₄、S₁₅开通，S₉、S₁₀、S₁₁、S₁₆关断，B点电位为-E。此时AB间电压为3E；

(5)第一桥臂与第二桥臂上S₁、S₂、S₃、S₄开通，S₅、S₆、S₇、S₈关断，A点经S₁、S₂、S₃、S₄连接与O₀点取得相同的电位2E。第三桥臂与第四桥臂上S₁₃、S₁₄、S₁₅、S₁₆开通，S₉、S₁₀、S₁₁、S₁₂关断，B点经S₁₃、S₁₄、S₁₅、S₁₆连接与O₄点取得相同的电位-2E。此时AB间电压为4E；

(6)第一桥臂与第二桥臂上S₃、S₄、S₅、S₆开通，S₁、S₂、S₇、S₈关断，A点为0电位。第三桥臂与第四桥臂上S₁₀、S₁₁、S₁₂、S₁₃开通，S₉、S₁₄、S₁₅、S₁₆关断，经路线D₁₃、S₁₀、S₁₁、S₁₂和S₁₃、D₂₄、D₂₀、D₁₄，使B点取得与O1相同的电位E。此时AB间电压为-E；

(7)第一桥臂与第二桥臂上S₄、S₅、S₆、S₇开通，S₁、S₂、S₃、S₈关断，经路线D₅、D₉、D₁₁、S₄和S₅、S₆、S₇、D₆，使A点电位与O₃相同，其电位为-E；第三桥臂与第四桥臂上S₁₀、S₁₁、S₁₂、S₁₃开通，S₉、S₁₄、S₁₅、S₁₆关断，B点电位为E。此时AB间电压为-2E；

(8)第一桥臂与第二桥臂上S₄、S₅、S₆、S₇开通，S₁、S₂、S₃、S₈关断，A点电位为-E；第三桥臂与第四桥臂上S₉、S₁₀、S₁₁、S₁₂开通，S₁₃、S₁₄、S₁₅、S₁₆关断，经路线S₉、S₁₀、S₁₁、S₁₂连接，B点取得与O₀点相同的电位2E。此时AB间电压为-3E；

(9)第一桥臂与第二桥臂上S₅、S₆、S₇、S₈开通，S₁、S₂、S₃、S₄关断，A点经S₅、S₆、S₇、S₈与O₄连接，电位为-2E。第三桥臂与第四桥臂上S₉、S₁₀、S₁₁、S₁₂开通，S₁₃、S₁₄、S₁₅、S₁₆关断，B点电位为2E。此时AB间电压为-4E；

在单一极性上，负载电压的上升沿分为四个阶段，0→E→2E→3E→4E；负载电压的平顶段保持在4E；负载电压的下降沿也分为四个阶段：

4E→3E→2E→E→0。