CN105340180A - 高功率电流开关 - Google Patents

Abstract

适于以高达5-10kV的高驱动电压注入高电流(通常是几十安培)的高功率开关电路是使用机电206和半导体210开关元件的组合来提供的，该组合在提供可切换的极性时在电流注入占空比的大部分期间基本上绕过半导体开关元件。以此方式，开关元件的发热能以改进地球物理调查装备的长期可靠性的方式被降低/管理。另外，电路保护可被提供以解决在电感负载中的电磁场的崩溃(如在地球物理调查中通常遇到的)时生成的回流电流。

Description

高功率电流开关

技术领域

本公开一般涉及用于切换适于用在高功率电流注入设备中以用于地球物理测量的电路的电路保护技术，且在更具体的实施例中涉及促进精确地定时的电流转移而没有切换加固现场装备中的电路的降级和失败的技术。

背景技术

高功率电流注入设备(或发射机)长久以来被用于电流注入以用于地球物理结构的电阻率和/或电感极化成像。示例包括与R8/IP/SP和R1/IP/SP装置一起使用PowerSting^TM系列外部高功率发射机(5kW、10kW以及15kW)，它们全部可从德克萨斯州奥斯汀市的AdvancedGeosciences有限公司购得。因为用这些设备执行的地球物理调查通常涉及相当大的时间/资源成本且通常在可能不利的环境条件下的远程位置进行，所以包括高功率电流注入设备在内的设备的坚固性和可靠性是重要的。因此，需要改进的高功率电路保护设备和解决方案。

发明内容

已经发现，适于以高达5-10kV的高设备电压注入高电流(通常是几十安培)的高功率切换电路可以使用机电和半导体开关元件的组合来提供，该组合在提供可切换的极性时在电流注入占空比的大部分期间基本上绕过半导体开关元件。以此方式，开关元件的发热能以改进地球物理调查装备的长期可靠性的方式被降低或管理。另外，电路保护可被提供以解决在电感负载中的电磁场的崩溃(如可能在地球物理调查中遇到的)时生成的回流电流。尽管所开发的设计和技术适用于地球物理调查装备，但将理解，这样的设计和技术也适用于其他高功率切换应用。

在一些实施例中，根据本发明，用于地球物理测量的电流注入设备包括(i)包括四个(4)机电开关元件的H桥电路，(ii)半导体开关元件，以及(iii)机电开关元件。H桥电路被配置成对于至少一些操作模式，可切换地控制到地球物理负载的电流注入的极性。H桥的四个(4)机电开关元件按第一和第二高电压终端之间的串联连接的对来耦合。半导体开关元件耦合在H桥电路和第一高电压终端之间。第五机电开关元件与半导体开关元件并联地耦合在H桥电路和第一高电压终端之间。第五机电开关元件耦合到控制电路，控制电路确保第五机电开关元件的状态只在半导体开关元件处于导通状态时变化。

在一些实施例中，半导体开关元件能够在导通时通过至少15A的工作负载电流，且能够在不导通时阻塞至少4kV的供电电压。

在一些实施例中，电流注入设备还包括高电压电源。高电压电源驱动至少4kV的供电电压且能够提供至少15A的工作负载电流来注入到地球物理负载。在一些情况下或实施例中，对于基本上全部电流注入占空比，工作负载电流通过电流注入设备的相应机电开关元件且基本上绕过其半导体开关元件。

在一些情况下或实施例中，电流注入占空比在约100ms和50s之间，且工作负载电流在电流注入占空比的基本上全部期间基本上绕过半导体开关元件，而代之以通过第五机电开关元件。

在一些情况下或实施例中，电流注入占空比至少约100ms，且工作负载电流在电流注入占空比的至少40％期间基本上绕过半导体开关元件，而代之以通过第五机电开关元件。在一些情况下或实施例中，电流注入占空比优选地至少约1000ms，且工作负载电流在电流注入占空比的至少94％期间基本上绕过半导体开关元件，而代之以通过第五机电开关元件。在一些情况下或实施例中，电流注入占空比更优选地约2000ms，且工作负载电流在电流注入占空比的至少99％期间基本上绕过半导体开关元件，而代之以通过第五机电开关元件。

在一些情况下或实施例中，只在以下期间工作负载电流的基本上全部才通过半导体开关元件：(i)电流注入占空比的基本上与继电器闭合时间相一致的初始部分期间以及(ii)电流注入占空比的由控制电路定义的最终部分期间。

在一些情况下或实施例中，电流注入设备的机电开关元件在处于闭合状态时，在通过工作负载电流时基本上展现出跨该元件的可忽略的压降以及对应地可忽略的发热。半导体开关元件恰在第五机电开关元件的状态变化之前或之后短时携带工作负载电流时，展现出跨该元件的不可忽略的压降以及对应的发热，但仅达小于约20ms的短暂时段。

在一些情况下或实施例中，控制电路对第五机电开关元件的关闭进行精确定时，并且从而在至少一些操作模式中提供地球物理测量的时间参考。在一些情况下或实施例中，控制电路是现场可校准的以针对当前地球物理调查或其测量查明到地球物理负载的电流注入的关闭的精确定时。

在一些实施例中，电流注入设备进一步包括基于控制电路的校准来报告定时信息的通信接口。在一些实施例中，电流注入设备进一步包括接收经校准的控制电路和到地球物理负载的电流注入的关闭的定时要遵守的精确定时命令的通信接口。

在一些情况下或实施例中，对于至少一些操作模式，地球物理测量包括感应极化测量，且地球物理负载是感应负载。

在一些实施例中，电流注入设备进一步包括与H桥并行耦合在第一和第二高电压终端之间的瞬变电压抑制(TVS)电路。TVS电路包括串联连接的高电压阻塞二极管以阻塞供电电流，但传递与地球物理负载中的场崩溃相关联的后向电流。

在一些情况下或实施例中，半导体开关元件包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)。在一些实施例中，电流注入设备进一步包括耦合在控制电路和半导体开关元件的栅极之间的光绝缘体。光绝缘体提供电绝缘以保护半导体开关元件免于可源自电源、控制和安全电路(如下所述)或可能由于光照、静电放电(ESD)、射频(RF)传输、或各种其他源的电压浪涌、瞬变、或其他这样的扰动。在一些情况下或实施例中，机电开关包括高功率继电器。

在一些情况下或实施例中，控制电路进一步确保H桥的四个机电开关的状态仅在半导体开关元件处于非导通状态且第五机电开关处于打开状态时才变化。

在根据本发明的一些实施例中，一种电路保护方法包括：(i)在用于地球物理测量的电流注入设备中，使用四个(4)机电开关元件的H桥来可控制地切换工作负载电流的极性；(ii)在电流注入设备中，使用能够在导通时通过工作负载电流并在不导通时阻塞供电电压的半导体开关元件精确地控制到地球物理负载的工作负载电流的注入的开启和关闭定时；以及(iii)对与半导体开关元件并联地耦合在H桥电路和高电压供电终端之间的第五机电开关元件的闭合和打开进行调相，使得对于工作负载电流注入的基本上全部占空比，工作负载电流通过电流注入设备的相应机电开关元件并基本上绕过其半导体开关元件。

在一些实施例中，该电路保护方法进一步包括在用于地球物理测量的电流注入设备中，使用四个(4)机电开关元件的H桥可控制地切换从至少4kV的供电电压递送的至少15A的工作负载电流的极性。

在一些情况下或实施例中，电流注入占空比优选地在约100ms和50s之间，且该方法进一步包括在电流注入占空比的基本上全部期间工作负载电流基本上绕过半导体开关元件而代之以通过第五机电开关元件。

在一些情况下或实施例中，电流注入占空比至少约100ms，且该方法进一步包括在电流注入占空比的至少40％期间工作负载电流基本上绕过半导体开关元件而代之以通过第五机电开关元件。在一些情况下或实施例中，电流注入占空比优选地至少约1000ms，且该方法进一步包括在电流注入占空比的至少94％期间工作负载电流基本上绕过半导体开关元件而代之以通过第五机电开关元件。在一些情况下或实施例中，电流注入占空比更优选地至少约2000ms，且该方法进一步包括在电流注入占空比的至少99％期间工作负载电流基本上绕过半导体开关元件而代之以通过第五机电开关元件。

在一些实施例中，该电路保护方法进一步包括只在以下期间工作负载电流的基本上全部才通过半导体开关元件：(i)电流注入占空比的基本上与继电器闭合时间相一致的初始部分期间以及(ii)电流注入占空比的由控制电路定义的最终部分期间。在一些示例中，该电路保护方法进一步包括：在处于闭合状态时，在通过工作负载电流时跨电流注入设备的机电开关元件散失基本上可忽略的功率且相应地生成基本上可忽略的发热；以及恰在第五机电开关元件的状态变化之前或之后使用半导体开关元件短时携带工作负载电流，半导体开关元件展现出跨该元件的不可忽略的压降以及对应的发热，但仅达小于约20ms的短暂时段。

在一些情况下或实施例中，该电路保护方法进一步包括对第五机电开关元件的关闭进行精确定时，并且从而在至少一些操作模式中提供地球物理测量的时间参考。在一些实施例中，该电路保护方法进一步包括在现场校准控制电路的定时，以针对当前地球物理调查或其测量查明到地球物理负载的工作负载电流注入的关闭的精确定时。

附图说明

图1是根据一些实施例的包括连接到调查控制器的多个探测器的示例地球物理调查系统的框图。

图2是根据一些实施例的包括图1的地球物理调查系统中使用的高功率电流注入设备的图1的调查控制器的框图。

图3是根据一些实施例的解说图2的高功率电流注入设备的开关元件的电路图。

图4是解说用于提供使用图2和3的高功率电流注入设备的地球物理调查系统中的电路保护的方法的实施例的流程图。

图5是解说图2和3的高功率电流注入设备的操作的时间方面的时序图。

用于实现本发明的方式

本文公开了一种用于高功率电流注入设备(或发射机)中的受保护的切换电路，所述电流注入设备诸如用于电阻率和电感极化(IP)类型地球物理测量。具体而言，本文描述的高功率开关适于使用用于但不限于地球物理测量装备的电功率发射机中与半导体开关元件并联的继电器来切换高驱动电压(高达5-10kV)处的高电流(几十安培)。具体而言，高功率开关向半导体开关元件提供保护，使得在电流注入占空比期间高电流通过并联低电阻路径(继电器)，从而造成开关元件中的低停驻电压。在电流关闭阶段期间，在低电阻开关元件(继电器)打开后，电流被转移到较高电阻路径(半导体开关元件)达非常短的时间。一旦继电器完全打开，半导体开关元件(它具有非常精确的电流关闭时间能力)电子地打开以完全关闭该电流。在本文描述的实施例中，在电流完全关闭时可(基于电感负载)被感应出的“跳变(kickback)”电压被瞬变电压吸收器吸收。

在本文描述的这类高功率电流开关中，电流解决方案遭受许多问题的损害。例如，纯机电解决方案(继电器)往往受继电器触点中的电弧问题以及电流的关闭的时间精确度的损害，这部分依赖于继电器的机械状况。诸如继电器等机电开关组件中的电弧可由于它们在关闭时处理DC负载电流的低能力而发生。继电器触点通常以与电火花或甚至电弧的形成相比很慢的速度打开(分开)，这使触点元件磨损。这样的电弧还可不利地影响功率开关的可靠性。此外，电弧问题随工作电压增加而恶化。由于开关元件的机械性质，继电器还具有慢操作速度和响应，这与磨损、降级、或环境变化一起可能不利地影响时间精确度。这样的时间不精确性(尤其是发生在电流的关闭期间)可不利地影响感应极化测量的质量。结果，需要改进的技术和设计。

例如在本文描述的高功率电流开关类型中使用纯半导体解决方案(通常是针对5-10kV范围内的电压的绝缘栅双极晶体管，IGBT)往往导致热降级效应。例如，半导体器件的导电元件的过热可导致这些器件的故障。IGBT上需要大散热片以控制散热，但可能仅在极限环境条件下有点效果。IGBT还遭受对高于指定最大电压的过电压的低电阻的损害，这在电感负载被关闭的情况下很容易发生。IGBT因而易受由瞬时过电压造成的灾难性故障的损害，尤其是在发热条件下。半导体开关组件(如IGBT)还在工作时由于通过高电流时存在的高导电电压而遭受高功率散失的损害。这一功率散失可加热该组件中的半导体结并且因而使该开关恶化。在一些情况下，地球物理数据的质量可被不利地影响。结果，需要改进的技术和设计。

本文描述的各实施例通过在特定设计配置中混合两种开关类型来解决纯继电器和纯半导体连接两者的缺点，该特定设计配置将高功率电流注入设备的设计目标定为具有支持感应极化类型的地球物理测量的操作模式。具体而言，提供切换电路，它使用与具有可调节大小的导通电压的快得多的半导体开关元件并联的、在导通状态时具有固有低压降的机械触点(继电器)。通过以此方式配置设备，继电器一闭合，来自半导体元件的电流就有利地重定向到继电器触点。因而，否则将在电流注入周期期间对半导体器件的发热作出贡献的导电电流被通过机械继电器来卸除。应当注意，如上所述电流从半导体器件到继电器的重定向是由并联高电阻(半导体元件)和低电阻(继电器)路径之间的电阻差异来控制。因而，在闭合继电器时，电流自动将自身重定向到低电阻路径，而无需控制信号发起这样的电流重定向。在本文描述的各实施例中，半导体器件在电流注入周期的开始和/或结束处传导整个负载电流达非常短的时间区间。在各电流注入周期之间，半导体器件将空闲且传导可忽略的电流。结果，开关电路的导电电压非常小(低于1V)且半导体元件中散失的功率是可忽略的。

另外，通过在打开半导体元件(IGBT)之前打开继电器，在IGBT被关闭时，获得很好地定义的关闭时间是可能的。还应注意，利用以上述并联配置的继电器和IGBT，通过在打开半导体元件之前打开继电器，跨继电器的打开触点的电压将只升到基本上等于IGBT的导电电压的值，这是低得足以抵消继电器触点中的电弧风险的电压。在许多测量情况下，诸如但不限于地球物理电阻率或感应极化(IP)测量，电流关闭之后的顺序是重要的。通过利用IGBT，创建注入电流的关闭的非常精确的定时是可能的。

除上述特征之外，在本描述的帮助下，本领域普通技术人员将理解其他特征和优点。一般而言，通过参照附图，能更好地理解本发明的各实施例，而且使本发明各实施例的许多目标、特征和优点对本领域技术人员是显然的。在不同附图中，相同的附图标记的使用指示相似或完全相同的项。

现在参考图1，示出了地球物理调查系统100的实施例。地球物理调查系统100包括调查控制器102和至少两个调查探测器104和106。在图1的示例中，调查探测器106通过电缆105连接到调查控制器102的输出端“A”，且调查探测器104通过电缆103连接到调查控制器102的输出端“B”。在一些情况下或实施例中，集成多导体电缆可被提供有多个输出。图1的简化图示仅仅是说明性的且不应被当作限制性的。另外，调查探测器104包括电极108且调查探测器106包括电极110。在一些情况下或实施例中，更大量的探测器、更复杂的拓扑、以及不同形式的连接(例如，埋藏式探测器、钻孔定位探测器、牵引水上阵列，等等)可被采用。说明性地而非限制性地参考图1，所示出的电极108/110中的每一个被插入地面112以允许测量地面112的电属性(例如，表面电阻率、电阻、感应极化、自位势，等等)。在一个示例中，电刺激(例如，注入电流)可由调查控制器102提供且通过电缆103/105之一传送到调查探测器104/106之一，并且因而传送到电极108/110之一，因此电极108/110中的另一个充当电刺激的返回路径。

尽管地球物理调查系统100的各实施例的示例是在应用于地面测量的情况下来示出和描述的，但本领域技术人员之一将认识到其他测量应用环境(例如，海洋环境)以及地球物理调查系统100的其他组件(其为讨论清楚起见被省略)可被包括在地球物理调查系统100中且将落在本公开的范围内。例如，尽管示出了两个调查探测器104、106，地球物理调查系统100可包括以各种阵列类型来配置的可调节大小的调查探测器阵列，包括Schlumberger、Wennerα、Wennerβ、Wennerγ、电极-电极、偶极-偶极、电极-偶极、赤道偶极-偶极、或它们的任何组合。此外，这样的阵列中包括的调查探测器中的任一者可根据特定操作模式来配置，如电流注入配置、电流返回配置、或电压感测配置。

现在参考图2，示出了根据一些实施例的图1的调查控制器102的框图。具体而言，调查控制器102包括提供对半导体开关的保护的高功率电流注入电路202，如下所述。高功率电流注入电路202包括半导体开关元件210，它能够在导通时通过工作负载电流且在不导通时阻塞高驱动供电电压。在各实施例中，半导体开关元件210包括绝缘栅双极晶体管(IGBT)。半导体开关元件210的控制由控制和安全电路207提供，如互连205所示。此外，控制和安全电路207接收输入，例如，来自微处理器209，在一些实施例中这被配置成执行存储在本地或远程存储器位置的调查控制器程序。在一些示例中，调查控制器程序被配置成生成发送到控制和安全电路207的信号以控制半导体开关元件210的开启/关闭状态。另外，在一些实施例中，控制和安全电路207包括专用栅极驱动电路以控制半导体开关元件210。此外，在各实施例中，光绝缘体可耦合在控制和安全电路207与半导体开关元件210的栅极之间。光绝缘体提供电绝缘以保护半导体开关元件210免于可源自电源、控制和安全电路207或可能由于光照、静电放电(ESD)、射频(RF)传输、或各种其他源的电压浪涌、瞬变、或其他这样的扰动。

机电开关元件206(例如，包括高功率继电器)与半导体开关元件210并联连接。机电开关元件206由通过互连203耦合的控制和安全电路207控制。具体而言，在一些实施例中，控制和安全电路207接收来自执行配置成生成发送给控制和安全电路207以控制机电开关元件206的开启/关闭状态的信号的调查控制器程序的微处理器209的输入。在操作中，控制和安全电路207确保机电开关元件206将不开启或关闭，直至半导体开关元件210处于其导通状态。因而，在半导体开关元件210导电时，跨继电器触点的电压将被限于半导体开关元件210的导电电压，在一些实施例中这是约4-6V。如下文更详细地讨论的，机电开关元件206在电流注入周期的大部分期间传导高电流，从而造成该开关元件中的低停驻电压，并从而保护半导体开关元件210。

现在参考图2和3，高功率电流注入电路202进一步包括包含按两个串联连接对来连接的4个机电开关元件(继电器)的4元件H桥电路204。如图3所示，机电开关元件的左对302/304串联连接且连接到耦合在它们之间的调查控制器102(回忆图1和2)的输出端“A”，且机电开关元件的右对306/308串联连接且连接到耦合在它们之间的调查控制器102(回忆图1和2)的输出端“B”。在这样的配置中，在第一端，机电开关元件304/308在公共节点303处连接到半导体开关元件210和机电开关元件206的组合的高电压端。类似地，在第二端，机电开关元件302/306通过公共节点305连接到高电压电源212。地球物理负载，如连接到电流注入电极108/110(回忆图1)的地面112(回忆图1)，可通过连接到调查控制器102的输出端“A”的调查探测器106和连接到调查控制器102的输出端“B”的调查探测器104来耦合在两个继电器对串联连接的触点之间。4元件H桥电路204具有三种操作模式，由控制和安全电路207控制。具体而言，在一些实施例中，控制和安全电路207接收来自执行配置成生成发送给控制和安全电路207以选择4元件H桥电路204的三种操作模式之一的信号的调查控制器程序的微处理器209的输入。

在4元件H桥电路204的第一操作模式中，所有机电开关元件302/304/306/308处于关闭状态。在该第一模式中，调查控制器102的输出端“A”或输出端“B”处都不存在输出。在第二操作模式中，继电器的左对中的正继电器(机电开关元件302)和继电器的右对中的负继电器(机电开关元件308)处于开启状态，而机电开关元件304/306处于关闭状态。在该第二模式中，调查控制器102的A-B输出端是正的。在第三操作模式中，继电器的左对中的负继电器(机电开关元件304)和继电器的右对中的正继电器(机电开关元件306)处于开启状态，而机电开关元件302/308处于关闭状态。在该第三模式中，调查控制器102的A-B输出端是负的。

如上所述的控制和安全电路207控制半导体开关元件210和机电开关元件206的开启和关闭以及4元件H桥电路204的三种操作模式之一的选择。如图2所示，控制和安全电路207具有创建两个分开的开启/关闭输出的一个开启/关闭输入端，其中一个输出端针对半导体开关元件且一个输出端针对并联的机电开关元件206，使得为各开关元件的操作创建时间分隔，如下文参考图5讨论的。这确保机电开关元件206只在半导体开关元件210处于导通状态时被开启或关闭，从而保证(机电开关元件206的)继电器触点打开或闭合时的低电压条件。为避免怀疑，虽然控制和安全电路207被描述为电路，但将理解，其功能可以至少部分地使用至少部分地在软件或固件控制之下的可编程电子装置来提供。

如图2和3所示，高功率电流注入电路202还包括通过公共节点303连接在高电压电源212和半导体开关元件210和机电开关元件206的组合的高电压端之间的瞬变电压抑制(TVS)电路208。TVS电路208抑制由可连接到输出电极“A”和“B”的电感负载分量创建的跳变瞬时电压。TVS电路208被配置成使得它主要在电压瞬变期间传导。如图3所示，TVS电路208包括双向TVS二极管310和高电压二极管312。在跳变瞬时电压抑制事件期间，TVS电路208将瞬变电压跨负载短路并添加反向电压以加速跨负载电感组件的磁场衰减。在正常操作中(即，在未抑制瞬变电压时)，TVS电路208通过高电压二极管312(它被反向偏置且具有低泄露电流)与负载绝缘。在图3所示的配置中，双向TVS二极管310包括两个串联连接的在相对方向上定向的齐纳二极管。在这样的配置中，可调节大小的反向电压(例如，几百伏特)可被跨负载快速创建以使磁场快速放电。尽管示出并描述了具有特定分量的TVS电路208的示例，将理解，用于实现瞬变电压抑制器电路的替换设备和方法被构想为落在本公开的范围内。例如，在其他实施例中，TVS电路208可包括滤波器、消弧电路(crowbar)器件、以及替换电压钳位器件(如硒光电池、碳化硅变阻器、金属氧化物变阻器、单向齐纳二极管、或它们的任何组合)。

现在参考图2、3、4和5，示出了用于使用高功率电流注入电路202来提供诸如图1中介绍的地球物理调查系统中的电路保护的方法400的实施例。具体而言，方法400描述了与高功率电流注入电路202的操作相关的定时和顺序。方法400在框402开始，在此作出与是否改变负载电流的极性有关的决定。例如，如上所述，在包括4元件H桥电路204的机电开关元件302/308的对角线对处于开启状态时，调查控制器102的A-B输出端是正的。或者，在包括4元件H桥电路204的机电开关元件304/306的对角线对处于开启状态时，调查控制器102的A-B输出端是负的。在框402，如果作出在调查控制器102的A-B输出端处的正/负极性之间作出切换的决定，或反之，则该方法进至框404，在此4元件H桥电路204的机电开关元件的第一对角线对打开(切换为关闭)且第二对角线对闭合(切换为开启)。在一些实施例中，调查控制器102的A-B输出端的极性由微处理器209来反转，从而用信号通知控制和安全电路207，控制和安全电路随后根据所选极性来设置4元件H桥电路204的操作模式。当然，控制和安全电路207还确保4元件H桥电路204的四个机电开关元件302/304/306/308的状态只在没有电流在该电路中流动时(即，在半导体开关元件210处于非导通状态且机电开关元件206处于打开状态时)变化。该方法随后进至框406，如下所述。

如果在框402，作出不切换调查控制器102的A-B输出端处的极性的决定，则该方法直接进至框406，在此，半导体开关元件被开启。在操作中，控制和安全电路207从微处理器209接收到的开启输入在时间T1产生控制和安全电路207处的开启输出信号，如图5的时序图的行502所示。响应于在时间T1来自控制和安全电路207的开启输出信号，半导体开关元件210在时间T1被开启，如图5的时序图的行504所示，具有与从控制和安全电路207接收到开启输出信号的时刻开始的可忽略的时间延迟。此后，在半导体开关元件210被开启时，方法400进至框408，在此，在电流注入周期的开始处注入电流流过半导体开关元件210达短暂时间。在一些实施例中，半导体开关元件210在电流注入周期的开始处通过全部注入电流达小于约20毫秒的时间。

该方法随后进至框410，在此，机电开关元件206被开启，且电流负载被重定向到机电开关元件206。在一个示例中，来自控制和安全电路207的开启输出信号在时间T2开启机电开关元件206，如在图5的时序图的行506所示，使得为半导体开关元件210和机电开关元件206的操作创建时间间隔。半导体开关元件210和机电开关元件206的开启时间之间的延迟时间T3(对于电路功能而言并非必须)由机电开关元件206的致动的机械延迟造成。具体而言，延迟时间T3在很大程度上依赖于机电开关元件206的机械性质，且将理解，得自使用不同类型的继电器和继电器驱动电路的各种延迟时间T3被构想为落在本公开的范围内。在延迟时间T3期间，半导体开关元件210可由于高电流通过它而体验到发热，然而，因为时间T3的值很短，此后全部电流负载被重定向到机电开关元件206，所以半导体开关元件210的降级基本上被防止。此后，机电开关元件210通过注入电流达基本上全部电流注入周期且直至时间T4，如下所述。

方法400进至框412，在此，机电开关元件206被关闭，且电流负载被重定向到半导体开关元件206。在操作中，控制和安全电路207从微处理器209接收到的关闭输入在时间T4产生控制和安全电路207处的关闭输出信号，如图5的时序图的行502所示。响应于在时间T4来自控制和安全电路207的关闭输出信号，机电开关元件206在时间T4被关闭，如图5的时序图的行506所示。为讨论清楚起见，从接收到来自控制和安全电路207的关闭输出信号的时间到机电开关元件206被关闭的时间的任何时间延迟未被示出。在完全关闭机电开关元件206后，在电流注入周期结束处注入电流流过半导体开关元件210达短暂时间。在一些实施例中，半导体开关元件210在电流注入周期的结束处通过全部注入电流达小于约20毫秒的时间。

该方法随后进至框414，在此，控制和安全电路207在时间T5关闭半导体开关元件210，如图5的时序图的行504所示。在一些实施例中，关闭机电开关元件206和半导体开关元件210中的每一者之间的时间间隔T6(这由控制和安全电路207控制)长于机电开关元件206的完全释放时间。具体而言，由控制和安全电路207控制机电开关元件206确保机电开关元件206的状态只在半导体开关元件210处于导通状态时变化，以防止继电器触点中的电弧。此外，在一些实施例中，延迟时间T6被添加到给控制和安全电路207的脉冲时间命令。因而，延迟T6由控制电路系统测量且被微处理器209纳入考虑以在调查控制器102(图1)的输出电极“A”和“B”上产生精确地控制的输出脉冲时间。

方法400随后进至框416，在此，基于感应瞬时“跳变”电压的存在来确定电感负载的存在，感应瞬时跳变电压可在半导体开关元件210被关闭以完全关闭注入电流时被触发。在框416，如果检测到瞬变电压，则该方法进至框418，在此，TVS电路208抑制瞬变电压并加速与负载电感组件相关联的磁场衰减，如下所述。应当注意，TVS电路208检测到瞬变电压和对应的抑制(如参考框416和418所述)是由瞬时“跳变”电压自身在TVS电路208的抑制组件上直接触发的自动过程(即，不需要附加电路或控制信号)。此后，该方法返回框402，在此，为后续电流注入周期作出与是否改变负载电流的极性有关的决定。或者，如果在框416没有检测到瞬变电压，则该方法直接进至框402。

因而，描述了一种提供用于高功率电流注入设备(或发射机)中(诸如用于电阻率和电感极化(IP)类型地球物理测量)的受保护的切换电路的系统和方法。通过使用机电和半导体开关元件的组合，高注入电流在电流注入占空比的相当大部分期间基本上绕过半导体开关元件。因而，半导体开关元件的发热可被降低或管理以改进设备性能和可靠性。另外，TVS电路可被提供以抑制可在存在电感负载时发生的瞬时跳变电压。

虽然示出并描述了说明性实施例，但在上述公开内构想了各种各样的修改、变化、以及替换，且在一些情形中，各实施例的一些特征可在没有对应地使用其他特征的情况下被采用。因此，宽泛地且以与本文公开的各实施例的范围相一致的方式解释所附权利要求是适当的。

Claims (30)

1.一种用于地球物理测量的电流注入设备，所述电流注入设备包括：

H桥电路，所述H桥电路被配置成对于至少一些操作模式，可切换地控制到地球物理负载的电流注入的极性，所述H桥包括按第一和第二高电压终端之间的串联连接的对来耦合的四个(4)机电开关元件；

耦合在所述H桥电路和所述第一高电压终端之间的半导体开关元件；以及

与所述半导体开关元件并联地耦合在所述H桥电路和所述第一高电压终端之间的第五机电开关元件，所述第五机电开关元件耦合到控制电路，所述控制电路确保所述第五机电开关元件的状态只在所述半导体开关元件处于导通状态时变化。

2.如权利要求1所述的电流注入设备，其特征在于，

所述半导体开关元件能够在导通时通过至少15A的工作负载电流，且能够在不导通时阻塞至少4kV的高电压。

3.如权利要求1或2所述的电流注入设备，其特征在于，进一步包括：

高电压电源，所述高电压电源提供至少4kV的供电电压且能够提供至少15A的工作负载电流来注入到地球物理负载。

4.如前述权利要求中的任一项所述的电流注入设备，其特征在于，

对于基本上全部电流注入占空比，所述工作负载电流通过所述电流注入设备的相应机电开关元件且基本上绕过其半导体开关元件。

5.如权利要求1-4中的任一项所述的电流注入设备，其特征在于，

所述电流注入占空比在约100ms和50s之间，且其中所述工作负载电流在所述电流注入占空比的基本上全部期间基本上绕过所述半导体开关元件，而代之以通过所述第五机电开关元件。

6.如权利要求1-4中的任一项所述的电流注入设备，其特征在于，

所述电流注入占空比在至少约100ms，且所述工作负载电流在所述电流注入占空比的至少40％期间基本上绕过所述半导体开关元件，而代之以通过所述第五机电开关元件。

7.如权利要求6所述的电流注入设备，其特征在于，

所述电流注入占空比优选地至少约1000ms，且所述工作负载电流在所述电流注入占空比的至少94％期间基本上绕过所述半导体开关元件，而代之以通过所述第五机电开关元件。

8.如权利要求7所述的电流注入设备，其特征在于，

所述电流注入占空比更优选地约2000ms，且所述工作负载电流在所述电流注入占空比的至少99％期间基本上绕过所述半导体开关元件，而代之以通过所述第五机电开关元件。

9.如前述权利要求中的任一项所述的电流注入设备，其特征在于，

只在以下期间所述工作负载电流的基本上全部才通过所述半导体开关元件：(i)所述电流注入占空比的基本上与继电器闭合时间相一致的初始部分期间以及(ii)所述电流注入占空比的由所述控制电路定义的最终部分期间。

10.如前述权利要求中的任一项所述的电流注入设备，其特征在于，

所述电流注入设备的机电开关元件在处于闭合状态时，在通过所述工作负载电流时基本上展现出跨所述元件的可忽略的压降以及对应地可忽略的发热，以及

其中所述半导体开关元件恰在所述第五机电开关元件的状态变化之前或之后短时携带所述工作负载电流时，展现出跨该元件的不可忽略的压降以及对应的发热，但仅达小于约20ms的短暂时段。

11.如前述权利要求中的任一项所述的电流注入设备，其特征在于，所述控制电路对所述第五机电开关元件的关闭进行精确定时，并且从而在至少一些操作模式中提供所述地球物理测量的时间参考。

12.如权利要求11所述的电流注入设备，其特征在于，

其中所述控制电路是现场可校准的以针对当前地球物理调查或其测量查明到地球物理负载的电流注入的关闭的精确定时。

13.如权利要求12所述的电流注入设备，其特征在于，进一步包括：

基于所述控制电路的校准来报告定时信息的通信接口。

14.如权利要求12所述的电流注入设备，其特征在于，进一步包括：

接收经校准的控制电路和到所述地球物理负载的电流注入的关闭的定时要遵守的精确定时命令的通信接口。

15.如前述权利要求中的任一项所述的电流注入设备，其特征在于，

对于至少一些操作模式，所述地球物理测量包括感应的极化测量，以及

其中所述地球物理负载是电感负载。

16.如前述权利要求中的任一项所述的电流注入设备，其特征在于，进一步包括：

与所述H桥并行耦合在所述第一和第二高电压终端之间的瞬变电压抑制(TVS)电路，所述TVS电路包括串联连接的高电压阻塞二极管以阻塞供电电流，但传递与所述地球物理负载中的场崩溃相关联的后向电流。

17.如前述权利要求中的任一项所述的电流注入设备，其特征在于，

所述半导体开关元件包括绝缘栅双极晶体管(GBT)。

18.如前述权利要求中的任一项所述的电流注入设备，其特征在于，进一步包括：耦合在所述控制电路与所述半导体开关元件的栅极之间的光绝缘体。

19.如前述权利要求中的任一项所述的电流注入设备，其特征在于，

所述机电开关包括高功率继电器。

20.如前述权利要求中的任一项所述的电流注入设备，其特征在于，

所述控制电路进一步确保所述H桥的四个机电开关的状态仅在所述半导体开关元件处于非导通状态且所述第五机电开关处于打开状态时才变化。

21.一种电路保护方法，包括：

在用于地球物理测量的电流注入设备中，使用四个(4)机电开关元件的H桥来可控制地切换工作负载电流的极性；

在电流注入设备中，使用能够在导通时通过工作负载电流并在不导通时阻塞所述供电电压的半导体开关元件精确地控制到地球物理负载的所述工作负载电流的注入的开启和关闭定时；以及

对与所述半导体开关元件并联地耦合在所述H桥电路和高电压供电终端之间的第五机电开关元件的闭合和打开进行调相，使得对于所述工作负载电流注入的基本上全部占空比，所述工作负载电流通过所述电流注入设备的相应机电开关元件并基本上绕过其半导体开关元件。

22.如权利要求21所述的电路保护方法，其特征在于，进一步包括：

在所述用于地球物理测量的电流注入设备中，使用四个(4)机电开关元件的H桥可控制地切换从至少4kV的供电电压递送的至少15A的工作负载电流的极性。

23.如权利要求21或22所述的电路保护方法，其特征在于，

所述电流注入占空比优选地在约100ms和50s之间；以及

所述电路保护方法进一步包括在所述电流注入占空比的基本上全部期间，所述工作负载电流基本上绕过所述半导体开关元件而代之以通过所述第五机电开关元件。

24.如权利要求21或22所述的电路保护方法，其特征在于，

所述电流注入占空比至少约100ms，且所述电路保护方法进一步包括在所述电流注入占空比的至少40％期间所述工作负载电流基本上绕过所述半导体开关元件而代之以通过所述第五机电开关元件。

25.如权利要求21或22所述的电路保护方法，其特征在于，

所述电流注入占空比优选地至少约1000ms；以及

所述电路保护方法进一步包括在所述电流注入占空比的至少94％期间，所述工作负载电流基本上绕过所述半导体开关元件而代之以通过所述第五机电开关元件。

26.如权利要求21或22所述的电路保护方法，其特征在于，

所述电流注入占空比更优选地约2000ms；以及

所述电路保护方法进一步包括在所述电流注入占空比的至少99％期间，所述工作负载电流基本上绕过所述半导体开关元件而代之以通过所述第五机电开关元件。

27.如权利要求21-26中的任一项所述的电路保护方法，其特征在于，进一步包括：只在以下期间所述工作负载电流的基本上全部才通过所述半导体开关元件：(i)所述电流注入占空比的基本上与继电器闭合时间相一致的初始部分期间以及(ii)所述电流注入占空比的由所述控制电路定义的最终部分期间。

28.如权利要求21-27中的任一项所述的电路保护方法，其特征在于，进一步包括：在处于关闭状态时在通过所述工作负载电流时跨所述电流注入设备的机电开关元件散失可忽略的功率及其相应地生成基本上可忽略的发热；以及

恰在所述第五机电开关元件的状态变化之前或之后使用所述半导体开关元件短时携带所述工作负载电流，所述半导体开关元件展现出跨该元件的不可忽略的压降以及对应的发热，但仅达小于约20ms的短暂时段。

29.如权利要求21-28所述的电路保护方法，其特征在于，进一步包括：

精确地定时所述第五机电开关元件的关闭，并从而在至少一些操作模式中为所述地球物理测量提供时间参考。

30.如权利要求29所述的电路保护方法，其特征在于，进一步包括：

在现场校准控制电路的定时，以针对当前地球物理调查或其测量查明到地球物理负载的工作负载电流注入的关闭的精确定时。