高功率電流開關(guān)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本公開一般設(shè)及用于切換適于用在高功率電流注入設(shè)備中W用于地球物理測(cè)量 的電路的電路保護(hù)技術(shù)，且在更具體的實(shí)施例中設(shè)及促進(jìn)精確地定時(shí)的電流轉(zhuǎn)移而沒有切 換加固現(xiàn)場(chǎng)裝備中的電路的降級(jí)和失敗的技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002] 高功率電流注入設(shè)備（或發(fā)射機(jī)）長(zhǎng)久W來(lái)被用于電流注入W用于地球物理結(jié)構(gòu) 的電阻率和/或電感極化成像。示例包括與SuperSting飯R8^P/SP和SuperSting底R(shí)l/ IP/SP裝置一起使用化werSting?系列外部高功率發(fā)射機(jī)巧kW、IOkWW及15kW)，它們?nèi)?可從德克薩斯州奧斯汀市的AdvancedGeosciences有限公司購(gòu)得。因?yàn)橛眠\(yùn)些設(shè)備執(zhí)行 的地球物理調(diào)查通常設(shè)及相當(dāng)大的時(shí)間/資源成本且通常在可能不利的環(huán)境條件下的遠(yuǎn) 程位置進(jìn)行，所W包括高功率電流注入設(shè)備在內(nèi)的設(shè)備的堅(jiān)固性和可靠性是重要的。因此， 需要改進(jìn)的高功率電路保護(hù)設(shè)備和解決方案。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，適于W高達(dá)5-lOkV的高設(shè)備電壓注入高電流（通常是幾十安培）的高 功率切換電路可W使用機(jī)電和半導(dǎo)體開關(guān)元件的組合來(lái)提供，該組合在提供可切換的極性 時(shí)在電流注入占空比的大部分期間基本上繞過半導(dǎo)體開關(guān)元件。W此方式，開關(guān)元件的發(fā) 熱能W改進(jìn)地球物理調(diào)查裝備的長(zhǎng)期可靠性的方式被降低或管理。另外，電路保護(hù)可被提 供W解決在電感負(fù)載中的電磁場(chǎng)的崩潰（如可能在地球物理調(diào)查中遇到的）時(shí)生成的回流 電流。盡管所開發(fā)的設(shè)計(jì)和技術(shù)適用于地球物理調(diào)查裝備，但將理解，運(yùn)樣的設(shè)計(jì)和技術(shù)也 適用于其他高功率切換應(yīng)用。
[0004] 在一些實(shí)施例中，根據(jù)本發(fā)明，用于地球物理測(cè)量的電流注入設(shè)備包括（i)包括 四個(gè)（4)機(jī)電開關(guān)元件的H橋電路，（ii)半導(dǎo)體開關(guān)元件，W及（iii)機(jī)電開關(guān)元件。H橋 電路被配置成對(duì)于至少一些操作模式，可切換地控制到地球物理負(fù)載的電流注入的極性。H 橋的四個(gè)（4)機(jī)電開關(guān)元件按第一和第二高電壓終端之間的串聯(lián)連接的對(duì)來(lái)禪合。半導(dǎo)體 開關(guān)元件禪合在H橋電路和第一高電壓終端之間。第五機(jī)電開關(guān)元件與半導(dǎo)體開關(guān)元件并 聯(lián)地禪合在H橋電路和第一高電壓終端之間。第五機(jī)電開關(guān)元件禪合到控制電路，控制電 路確保第五機(jī)電開關(guān)元件的狀態(tài)只在半導(dǎo)體開關(guān)元件處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)變化。 陽(yáng)0化]在一些實(shí)施例中，半導(dǎo)體開關(guān)元件能夠在導(dǎo)通時(shí)通過至少15A的工作負(fù)載電流， 且能夠在不導(dǎo)通時(shí)阻塞至少4kV的供電電壓。
[0006] 在一些實(shí)施例中，電流注入設(shè)備還包括高電壓電源。高電壓電源驅(qū)動(dòng)至少4kV的 供電電壓且能夠提供至少15A的工作負(fù)載電流來(lái)注入到地球物理負(fù)載。在一些情況下或?qū)?施例中，對(duì)于基本上全部電流注入占空比，工作負(fù)載電流通過電流注入設(shè)備的相應(yīng)機(jī)電開 關(guān)元件且基本上繞過其半導(dǎo)體開關(guān)元件。
[0007] 在一些情況下或?qū)嵤├校娏髯⑷胝伎毡仍诩sIOOms和50s之間，且工作負(fù)載電 流在電流注入占空比的基本上全部期間基本上繞過半導(dǎo)體開關(guān)元件，而代之W通過第五機(jī) 電開關(guān)元件。
[0008] 在一些情況下或?qū)嵤├校娏髯⑷胝伎毡戎辽偌s100ms，且工作負(fù)載電流在電流 注入占空比的至少40%期間基本上繞過半導(dǎo)體開關(guān)元件，而代之W通過第五機(jī)電開關(guān)元 件。在一些情況下或?qū)嵤├?，電流注入占空比?yōu)選地至少約1000ms，且工作負(fù)載電流在電 流注入占空比的至少94 %期間基本上繞過半導(dǎo)體開關(guān)元件，而代之W通過第五機(jī)電開關(guān)元 件。在一些情況下或?qū)嵤├?，電流注入占空比更?yōu)選地約2000ms，且工作負(fù)載電流在電 流注入占空比的至少99 %期間基本上繞過半導(dǎo)體開關(guān)元件，而代之W通過第五機(jī)電開關(guān)元 件。
[0009] 在一些情況下或?qū)嵤├?，只在W下期間工作負(fù)載電流的基本上全部才通過半導(dǎo) 體開關(guān)元件：（i)電流注入占空比的基本上與繼電器閉合時(shí)間相一致的初始部分期間W及 (ii)電流注入占空比的由控制電路定義的最終部分期間。
[0010] 在一些情況下或?qū)嵤├校娏髯⑷朐O(shè)備的機(jī)電開關(guān)元件在處于閉合狀態(tài)時(shí)，在 通過工作負(fù)載電流時(shí)基本上展現(xiàn)出跨該元件的可忽略的壓降W及對(duì)應(yīng)地可忽略的發(fā)熱。半 導(dǎo)體開關(guān)元件恰在第五機(jī)電開關(guān)元件的狀態(tài)變化之前或之后短時(shí)攜帶工作負(fù)載電流時(shí)，展 現(xiàn)出跨該元件的不可忽略的壓降W及對(duì)應(yīng)的發(fā)熱，但僅達(dá)小于約20ms的短暫時(shí)段。
[0011] 在一些情況下或?qū)嵤├?，控制電路?duì)第五機(jī)電開關(guān)元件的關(guān)閉進(jìn)行精確定時(shí)， 并且從而在至少一些操作模式中提供地球物理測(cè)量的時(shí)間參考。在一些情況下或?qū)嵤├?中，控制電路是現(xiàn)場(chǎng)可校準(zhǔn)的W針對(duì)當(dāng)前地球物理調(diào)查或其測(cè)量查明到地球物理負(fù)載的電 流注入的關(guān)閉的精確定時(shí)。
[0012] 在一些實(shí)施例中，電流注入設(shè)備進(jìn)一步包括基于控制電路的校準(zhǔn)來(lái)報(bào)告定時(shí)信息 的通信接口。在一些實(shí)施例中，電流注入設(shè)備進(jìn)一步包括接收經(jīng)校準(zhǔn)的控制電路和到地球 物理負(fù)載的電流注入的關(guān)閉的定時(shí)要遵守的精確定時(shí)命令的通信接口。
[0013] 在一些情況下或?qū)嵤├?，?duì)于至少一些操作模式，地球物理測(cè)量包括感應(yīng)極化 測(cè)量，且地球物理負(fù)載是感應(yīng)負(fù)載。
[0014] 在一些實(shí)施例中，電流注入設(shè)備進(jìn)一步包括與H橋并行禪合在第一和第二高電壓 終端之間的瞬變電壓抑制（TVS)電路。TVS電路包括串聯(lián)連接的高電壓阻塞二極管W阻塞 供電電流，但傳遞與地球物理負(fù)載中的場(chǎng)崩潰相關(guān)聯(lián)的后向電流。
[0015] 在一些情況下或?qū)嵤├?，半?dǎo)體開關(guān)元件包括絕緣柵雙極晶體管（IGBT)。在 一些實(shí)施例中，電流注入設(shè)備進(jìn)一步包括禪合在控制電路和半導(dǎo)體開關(guān)元件的柵極之間的 光絕緣體。光絕緣體提供電絕緣W保護(hù)半導(dǎo)體開關(guān)元件免于可源自電源、控制和安全電路 (如下所述）或可能由于光照、靜電放電巧SD)、射頻（R巧傳輸、或各種其他源的電壓浪涌、 瞬變、或其他運(yùn)樣的擾動(dòng)。在一些情況下或?qū)嵤├?，機(jī)電開關(guān)包括高功率繼電器。
[0016] 在一些情況下或?qū)嵤├?，控制電路進(jìn)一步確保H橋的四個(gè)機(jī)電開關(guān)的狀態(tài)僅在 半導(dǎo)體開關(guān)元件處于非導(dǎo)通狀態(tài)且第五機(jī)電開關(guān)處于打開狀態(tài)時(shí)才變化。
[0017] 在根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例中，一種電路保護(hù)方法包括：（i)在用于地球物理測(cè) 量的電流注入設(shè)備中，使用四個(gè)（4)機(jī)電開關(guān)元件的H橋來(lái)可控制地切換工作負(fù)載電流的 極性；（ii)在電流注入設(shè)備中，使用能夠在導(dǎo)通時(shí)通過工作負(fù)載電流并在不導(dǎo)通時(shí)阻塞供 電電壓的半導(dǎo)體開關(guān)元件精確地控制到地球物理負(fù)載的工作負(fù)載電流的注入的開啟和關(guān) 閉定時(shí)；W及（iii)對(duì)與半導(dǎo)體開關(guān)元件并聯(lián)地禪合在H橋電路和高電壓供電終端之間 的第五機(jī)電開關(guān)元件的閉合和打開進(jìn)行調(diào)相，使得對(duì)于工作負(fù)載電流注入的基本上全部占 空比，工作負(fù)載電流通過電流注入設(shè)備的相應(yīng)機(jī)電開關(guān)元件并基本上繞過其半導(dǎo)體開關(guān)元 件。
[0018] 在一些實(shí)施例中，該電路保護(hù)方法進(jìn)一步包括在用于地球物理測(cè)量的電流注入設(shè) 備中，使用四個(gè)（4)機(jī)電開關(guān)元件的H橋可控制地切換從至少4kV的供電電壓遞送的至少 15A的工作負(fù)載電流的極性。
[0019] 在一些情況下或?qū)嵤├?，電流注入占空比?yōu)選地在約IOOms和50s之間，且該方 法進(jìn)一步包括在電流注入占空比的基本上全部期間工作負(fù)載電流基本上繞過半導(dǎo)體開關(guān) 元件而代之W通過第五機(jī)電開關(guān)元件。
[0020] 在一些情況下或?qū)嵤├?，電流注入占空比至少約100ms，且該方法進(jìn)一步包括在 電流注入占空比的至少40%期間工作負(fù)載電流基本上繞過半導(dǎo)體開關(guān)元件而代之W通過 第五機(jī)電開關(guān)元件。在一些情況下或?qū)嵤├?，電流注入占空比?yōu)選地至少約1000ms，且該 方法進(jìn)一步包括在電流注入占空比的至少94%期間工作負(fù)載電流基本上繞過半導(dǎo)體開關(guān) 元件而代之W通過第五機(jī)電開關(guān)元件。在一些情況下或?qū)嵤├校娏髯⑷胝伎毡雀鼉?yōu)選 地至少約2000ms，且該方法進(jìn)一步包括在電流注入占空比的至少99%期間工作負(fù)載電流 基本上繞過半導(dǎo)體開關(guān)元件而代之W通過第五機(jī)電開關(guān)元件。
[0021] 在一些實(shí)施例中，該電路保護(hù)方法進(jìn)一步包括只在W下期間工作負(fù)載電流的基本 上全部才通過半導(dǎo)體開關(guān)元件：（i)電流注入占空比的基本上與繼電器閉合時(shí)間相一致的 初始部分期間W及（ii)電流注入占空比的由控制電路定義的最終部分期間。在一些示例 中，該電路保護(hù)方法進(jìn)一步包括：在處于閉合狀態(tài)時(shí)，在通過工作負(fù)載電流時(shí)跨電流注入設(shè) 備的機(jī)電開關(guān)元件散失基本上可忽略的功率且相應(yīng)地生成基本上可忽略的發(fā)熱；W及恰在 第五機(jī)電開關(guān)元件的狀態(tài)變化之前或之后使用半導(dǎo)體開關(guān)元件短時(shí)攜帶工作負(fù)載電流，半 導(dǎo)體開關(guān)元件展現(xiàn)出跨該元件的不可忽略的壓降W及對(duì)應(yīng)的發(fā)熱，但僅達(dá)小于約20ms的 短暫時(shí)段。
[0022] 在一些情況下或?qū)嵤├?，該電路保護(hù)方法進(jìn)一步包括對(duì)第五機(jī)電開關(guān)元件的關(guān) 閉進(jìn)行精確定時(shí)，并且從而在至少一些操作模式中提供地球物理測(cè)量的時(shí)間參考。在一些 實(shí)施例中，該電路保護(hù)方法進(jìn)一步包括在現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)控制電路的定時(shí)，W針對(duì)當(dāng)前地球物理 調(diào)查或其測(cè)量查明到地球物理負(fù)載的工作負(fù)載電流注入的關(guān)閉的精確定時(shí)。
【附圖說明】
[0023] 圖1是根據(jù)一些實(shí)施例的包括連接到調(diào)查控制器的多個(gè)探測(cè)器的示例地球物理 調(diào)查系統(tǒng)的框圖。
[0024] 圖2是根據(jù)一些實(shí)施例的包括圖1的地球物理調(diào)查系統(tǒng)中使用的高功率電流注入 設(shè)備的圖1的調(diào)查控制器的框圖。
[00巧]圖3是根據(jù)一些實(shí)施例的解說圖2的高功率電流注入設(shè)備的開關(guān)元件的電路圖。 [00%] 圖4是解說用于提供使用圖2和3的高功率電流注入設(shè)備的地球物理調(diào)查系統(tǒng)中 的電路保護(hù)的方法的實(shí)施例的流程圖。
[0027] 圖5是解說圖2和3的高功率電流注入設(shè)備的操