CN106099880A - 一种泄放电路、泄放芯片和核磁共振测井仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种泄放电路、芯片和核磁共振测井仪，包括：隔离变压器次级第一输出绕组第二输出端与JFET管漏极相连并通过第一电容与第一和第二MOSFET管源极相连。第二输出绕组第一输出端与第一输出绕组第二输出端相连。第二输出绕组第二输出端与JFET管栅极、第三MOSFET管源极相连，通过第二电容与JFET管漏极相连。第三输出绕组第一输出端与第三MOSFET管源极、JFET管栅极相连。第三输出绕组第二输出端与第三MOSFET管栅极相连。第三MOSFET管漏极与JFET管漏极相连；第一MOSFET管漏极与天线相连。本发明方案能够有效抑制高温环境下仪器探头振铃和死区时间，保证较高的仪器分辨率和信噪比。
Description
技术领域
本发明涉及高温测井技术领域，尤其涉及一种泄放电路、泄放芯片和核磁共振测井仪。
背景技术
随着易开采的石油资源的减少，油田的勘探开发深度正在不断加深,部分高温高压井下温度已经超过相关所有商业化核磁共振测井仪的最高耐温指标。当前采用收发一体探头的核磁共振测井仪(包含哈利伯顿的MRIL-P，MRIL-XL和贝克休斯的MREX系列仪器)均需要采用泄放电路模块，用以快速消除高压激励之后天线残存的能量，减小仪器的死区时间，从而减小仪器回波间隔以提高仪器测量分辨率。当前核磁共振测井仪泄放模块多采用高压体硅MOSFET等软开关进行设计，此方案在高于175摄氏度时，会因体硅工艺的温度极限导致软开关导通电阻增大，导通维持时间变短，导致泄放电路性能的下降或失效，而反复开通和关闭泄放电路模块，会导致探头阻抗变化引入振荡信号，从而极大增加了高温环境下核磁共振测井仪的振铃和死区时间，并有可能导致仪器功放电路因泄放功能的失效而损毁。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种泄放电路、泄放芯片和核磁共振测井仪，能够使得核磁共振测井仪在200摄氏度的高温下长时间连续工作，并能够有效抑制高温环境下仪器探头的振铃和死区时间，保证了高温核磁共振测井仪在高温环境下的较高的仪器分辨率和信噪比。
为了达到上述目的，本发明提出了一种泄放电路，该电路包括：隔离变压器、第一金属-氧化物半导体场效应晶体管MOSFET管、第二MOSFET管、第三MOSFET管、结晶型场效应晶体管JFET管、第一电容、第二电容、第一二极管、第二二极管和第三二极管。
其中，隔离变压器包括第一变压器和第二变压器；第一变压器包括第一输入绕组、第一输出绕组和第二输出绕组；第二变压器包括第二输入绕组和第三输出绕组。
第一输入绕组和第二输入绕组均与输入电源和泄放控制信号输出端相连。
第一输出绕组的第一输出端与第一二极管的正极相连，第一二极管的负极与第一MOSFET管和第二MOSFET管的栅极相连。
第一输出绕组的第二输出端与JFET管的漏极相连，并通过第一电容与第一MOSFET管和第二MOSFET管的源极相连。
第二输出绕组的第一输出端与第一输出绕组的第二输出端相连。
第二输出绕组的第二输出端与第二二极管的负极相连，第二二极管的正极与JFET管的栅极相连；并与第三MOSFET管的源极相连，第二二极管的正极通过第二电容与JFET管的漏极相连。
第三输出绕组的第一输出端与第三MOSFET管的源极相连，并与JFET管的栅极相连。
第三输出绕组的第二输出端与第三二极管的正极相连，第三二极管的负极与第三MOSFET管的栅极相连。
第三MOSFET管的漏极与JFET管的漏极相连；第一MOSFET管的漏极与天线相连；第二MOSFET管的漏极接地。
可选地，泄放控制信号包括：泄放开启信号和泄放关闭信号。
第一输入绕组的第一输入端与输入电源相连；第一输入绕组的第二输入端与泄放开启信号的输出端相连。
第二输入绕组的第一输入端与输入电源相连；第二输入绕组的第二输入端与泄放关闭信号的输出端相连。
可选地，该泄放电路还包括控制电阻；控制电阻的一端与JFET管的源极相连，另一端与第一MOSFET管和第二MOSFET管的栅极相连。
可选地，输入电源为VCC电源；VCC电源是指市电通过交流-直流AC-DC变换，并进行一次降压后获得的电压。
可选地，第一二极管为高压防反向二极管、第二二极管和第三二极管均为高压二极管。
可选地，第一电容和第二电容均为高温高压贴片陶瓷电容C0G电容。
可选地，高温高压C0G电容电的高温阈值为200度。
可选地，第一MOSFET管、第二MOSFET管和第三MOSFET管均采用通过碳化硅材料半导体SIC工艺高温封装的MOSFET管。
可选地，第一MOSFET管、第二MOSFET管和第三MOSFET管满足225度的结温需求。
为了达到上述目的，本发明还提出了一种泄放芯片，包括所述的泄放电路。
为了达到上述目的，本发明还提出了一种核磁共振测井仪，包括所述的泄放电路，或包括所述的泄放芯片。
与现有技术相比，本发明包括：隔离变压器、第一金属-氧化物半导体场效应晶体管MOSFET管、第二MOSFET管、第三MOSFET管、JFET管、第一电容、第二电容、第一二极管、第二二极管和第三二极管。其中，隔离变压器包括第一变压器和第二变压器；第一变压器包括第一输入绕组、第一输出绕组和第二输出绕组；第二变压器包括第二输入绕组和第三输出绕组。第一输入绕组和第二输入绕组均与输入电源和泄放控制信号输出端相连。第一输出绕组的第一输出端与第一二极管的正极相连，第一二极管的负极与第一MOSFET管和第二MOSFET管的栅极相连。第一输出绕组的第二输出端与JFET管的漏极相连，并通过第一电容与第一MOSFET管和第二MOSFET管的源极相连。第二输出绕组的第一输出端与第一输出绕组的第二输出端相连。第二输出绕组的第二输出端与第二二极管的负极相连，第二二极管的正极与JFET管的栅极相连；并与第三MOSFET管的源极相连，第二二极管的正极通过第二电容与JFET管的漏极相连。第三输出绕组的第一输出端与第三MOSFET管的源极相连，并与JFET管的栅极相连。第三输出绕组的第二输出端与第三二极管的正极相连，第三二极管的负极与第三MOSFET管的栅极相连。第三MOSFET管的漏极与JFET管的漏极相连；第一MOSFET管的漏极与天线相连；第二MOSFET管的漏极接地。通过本发明的方案，能够使得核磁共振测井仪在200摄氏度的高温下长时间连续工作，并能够有效抑制高温环境下仪器探头的振铃和死区时间，保证了高温核磁共振测井仪在高温环境下的较高的仪器分辨率和信噪比。
附图说明
下面对本发明实施例中的附图进行说明，实施例中的附图是用于对本发明的进一步理解，与说明书一起用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限制。
图1为相关的核磁共振测井仪的结构图；
图2为相关的核磁共振测井仪中的泄放电路框图；
图3为相关的核磁共振测井仪中的泄放电路控制原理图；
图4为本发明实施例的泄放电路控制原理图；
图5为本发明实施例的泄放芯片结构组成框图；
图6为本发明实施例的核磁共振测井仪结构组成框图。
具体实施方式
为了便于本领域技术人员的理解，下面结合附图对本发明作进一步的描述，并不能用来限制本发明的保护范围。
在高温测井作业中，核磁共振测井仪一般采用CPMG脉冲序列进行核磁激励信号的发射和回波信号采集，核磁共振测井仪的基本组成结构如图1所示，由于测井仪受制于电缆供电和井下高温恶劣环境的原因，通常采用激励发射和回波信号接收一体化探头设计，发射机采用高压小电流进行激励发射，接收机采用高灵敏度前置放大器进行回波信号的接收，通过收发双工切换电路，实时控制仪器的发射和接收。地层中流体的回波信号非常微弱，通常只有几十个纳伏到数微伏，而激励发射通常需要数千伏高压，因此必须将探头天线上残余能量在较短时间内泄放干净，才能保证在回波接收时回波信号的完整性。
但通常核磁共振测井仪采用的都是传统体硅工艺的金属-氧化物半导体场效应晶体管MOSFET管来对天线激励残余能量进行快速泄放，典型的泄放电路框图如图2所示，其控制原理图如图3所示，在相关的泄放控制方案中，控制信号通过事件控制板产生泄放开和关的信号，两个控制信号经过功率放大电路进行功率放大之后，通过泄放电路的隔离变压器进行作差，产生开启的正脉冲和关闭的负脉冲。此电路采用一对P沟道和N沟道低压MOSFET管分别控制连接天线两端的高压MOSFET管的GS级(栅源极)电容的充放电,从而实现泄放功能的开启和关闭。由于体硅工艺(bulk SI)MOSFET管均存在寄生体二极管，在高温环境中(尤其是高于175度时)，MOSFET管的DS极(漏源极)漏电流Idss呈几何级增大，这样会导致高压MOSFET管的GS极电容电压急剧下降至MOSFET管的米勒平台之下，导致高压MOSFET管无法维持正常的导通时间，影响了泄放电路高温泄放效果。其中，该米勒平台是指维持MOSFET管或JFET管的DS极导通时，GS极需要保持住的电压水平。泄放能力的下降会直接导致天线残余能量无法在仪器规定的时间内泄放完全，导致仪器死区时间增加，仪器回波间隔时间会大幅度增加，从而影响仪器对地层中短弛豫流体的测量。而因泄放电路是连接至天线的两端，反复开启泄放电路会引起天线端阻抗的变化，反而会对谐振电路引入新的振荡干扰，导致回波接收时间窗内回波信号受到干扰。
综上所述可知，当前的核磁共振测井仪的泄放电路中采用低压一对N,P沟道体硅MOSFET和高温二极管作为维持高压MOSFET导通和关断的电路设计，此设计在高于175摄氏度时会极大缩短维持高压管的导通时间，从而增加了仪器的死时间和探头上的振铃。并且体硅工艺的高压MOSFET管会在高温状态下产生闩锁效应，且导通电阻会在高温环境下加大，降低了泄放的效果，增加了探头上的振铃和电子噪声，并可能导致泄放电路的失效引起更严重的仪器损坏。基于上述问题，本发明实施例方案提出了如图4所示的泄放电路，该泄放电路能够突破高温下泄放时间的限制，保证了仪器在高温环境下的泄放效率，能够使得核磁共振测井仪在200摄氏度的高温下长时间连续工作，并能够有效抑制高温环境下仪器探头的振铃和死区时间，保证了高温核磁共振测井仪在高温环境下的较高的仪器分辨率和信噪比。
为了达到上述目的，本发明提出了一种泄放电路1，该电路包括：隔离变压器01、第一MOSFET管02、第二MOSFET管03、第三MOSFET管04、JFET管05、第一电容06、第二电容07、第一二极管08、第二二极管09和第三二极管10。
其中，隔离变压器01包括第一变压器011和第二变压器012；第一变压器011包括第一输入绕组0111、第一输出绕组0112和第二输出绕组0113；第二变压器012包括第二输入绕组0121和第三输出绕组0122。
第一输入绕组0111和第二输入绕组0121均与输入电源和泄放控制信号输出端相连。
可选地，泄放控制信号包括：泄放开启信号和泄放关闭信号。
第一输入绕组0112的第一输入端01121与输入电源相连；第一输入绕组0112的第二输入端01122与泄放开启信号的输出端相连。
第二输入绕组0121的第一输入端01211与输入电源相连；第二输入绕组0121的第二输入端01212与泄放关闭信号的输出端相连。
第一输出绕组0112的第一输出端01121与第一二极管08的正极相连，第一二极管08的负极与第一MOSFET管02和第二MOSFET管03的栅极相连。
第一输出绕组0112的第二输出端01122与JFET管05的漏极相连，并通过第一电容06与第一MOSFET管02和第二MOSFET管03的源极相连。
第二输出绕组0113的第一输出端01131与第一输出绕组0112的第二输出端01122相连。
第二输出绕组0113的第二输出端01132与第二二极管09的负极相连，第二二极管09的正极与JFET管05的栅极相连；并与第三MOSFET管04的源极相连，第二二极管09的正极通过第二电容07与JFET管05的漏极相连。
第三输出绕组0122的第一输出端01221与第三MOSFET管04的源极相连，并与JFET管05的栅极相连。
第三输出绕组0122的第二输出端01222与第三二极管10的正极相连，第三二极管10的负极与第三MOSFET管04的栅极相连。
第三MOSFET管04的漏极与JFET管05的漏极相连；第一MOSFET管02的漏极与天线相连；第二MOSFET管03的漏极接地。
本发明实施例方案的辅助泄放电路最大的特点是控制电路采用了JFET替代了原有的MOSFET管，由于JFET没有寄生体二极管，在高温环境下DS极关闭状态下漏电流极小，从而能使高压MOSFET管的GS极两端电容的电压维持在米勒平台之上较长的时间，从而提高了泄放时间。本发明实施例的泄放电路的工作原理如下所述：
隔离变压器01将控制信号与高压泄放电路相隔离，防止高压串入前级控制信号之中，该控制信号包括泄放开启信号和泄放关闭信号。第一变压器011(T1)初级的第二输入端01122接泄放开启信号，第一输入端01121接输入电源，用以提高控制信号的驱动能力，可选地，该输入电源可以为VCC电源；VCC电源是指市电通过交流-直流AC-DC变换，并进行一次降压后获得的电压。第一变压器011(T1)次级的第一输出绕组0112通过第一二极管08(D1)向高压MOSFET管第一MOSFET管02(Q1)和第二MOSFET管03(Q2)的GS极间电容及匹配电容第一电容07(C1)进行充电，可选地，第一二极管08(D1)为高压防反向二极管，只允许GS极电容正向充电，并用于维持GS极间的电荷。可选地，第一电容06(C1)为高温高压贴片陶瓷电容C0G电容。并且该高温高压C0G电容电的高温阈值为200度。可选地，该泄放电路还包括控制电阻11；控制电阻11的一端与JFET管05的源极相连，另一端与第一MOSFET管02和第二MOSFET管03的栅极相连。该控制电阻11(R1)是为了控制GS极电容充电速度以调节高压MOSFET的开通时间。这样第一MOSFET管02(Q1)和第二MOSFET管03(Q2)的GS极及第一电容06(C1)上的电荷只能通过JFET管05(Q3)的DS极进行泄放，而第一变压器011(T1)的另一组次级绕组第二输出绕组0113在泄放开启信号到来后，会通过高压二极管第二二极管09(D2)对JFET管05(Q3)的GS极电容，即第二电容07(C2)进行反向充电，将JFET管05(Q3)的GS极维持在较大的负压之下，从而维持JFET管05(Q3)处于截止状态，可选地，为保证高温下的性能，第二电容07(C2)也需要采用200度C0G电容。由于高温下JFET管的Idss电流和高压二极管的反向漏电流都极小，所以第一MOSFET管02(Q1)和第二MOSFET管03(Q2)的GS极电压得以较长时间维持在米勒平台导通电压之上，泄放时间可以得以较长时间维持。
泄放关闭信号到来时，会通过第二变压器012(T2)的次级第三输出绕组0122，经过高压二极管第三二极管10(D3)将第三MOSFET管04(Q4)的GS极进行充电，从而导通第三MOSFET管04(Q4)的DS极，第三MOSFET管04(Q4)的导通会迅速释放掉第二电容07(C2)及JFET管05(Q3)的GS极上的电荷，从而使JFET管05(Q3)的DS极处于导通状态，JFET管05(Q3)的DS极被导通后，会迅速释放掉第一电容06(C1)、第一MOSFET管02(Q1)和第二MOSFET管03(Q2)的GS极电荷，从而使第一MOSFET管02(Q1)和第二MOSFET管03(Q2)的GS极电压迅速低于MOSFET管的米勒平台电压，从而使第一MOSFET管02(Q1)和第二MOSFET管03(Q2)迅速关闭。
按照此原理设计的高温辅助泄放电路，泄放时间可以在200摄氏度下维持4ms以上，由于体硅工艺的高压MOSFET管在高于180度时会产生闩锁效应的风险，在本发明实施例中，根据高温电子材料的击穿电压(breakdown voltage)和结温之间关系曲线,需要更换常规泄放用体硅高压MOSFET管,选用碳化硅材料半导体SIC工艺高温封装的MOSFET管,能够满足225度的结温需求。
可选地，第一MOSFET管02、第二MOSFET管03和第三MOSFET管04均采用通过SIC工艺高温封装的MOSFET管。
为了达到上述目的，本发明还提出了一种泄放芯片2，包括所述的泄放电路1，如图5所示。
为了达到上述目的，本发明还提出了一种核磁共振测井仪3，包括所述的泄放电路1，或包括所述的泄放芯片2，如图6所示。
与现有技术相比，本发明包括：隔离变压器、第一金属-氧化物半导体场效应晶体管MOSFET管、第二MOSFET管、第三MOSFET管、JFET管、第一电容、第二电容、第一二极管、第二二极管和第三二极管。其中，隔离变压器包括第一变压器和第二变压器；第一变压器包括第一输入绕组、第一输出绕组和第二输出绕组；第二变压器包括第二输入绕组和第三输出绕组。第一输入绕组的第一输入端与输入电源相连；第一输入绕组的第二输入端与泄放开启信号的输出端相连。第二输入绕组的第一输入端与输入电源相连；第二输入绕组的第二输入端与泄放关闭信号的输出端相连。第一输出绕组的第一输出端与第一二极管的正极相连，第一二极管的负极与第一MOSFET管和第二MOSFET管的栅极相连。第一输出绕组的第二输出端与JFET管的漏极相连，并通过第一电容与第一MOSFET管和第二MOSFET管的源极相连。第二输出绕组的第一输出端与第一输出绕组的第二输出端相连。第二输出绕组的第二输出端与第二二极管的负极相连，第二二极管的正极与JFET管的栅极相连；并与第三MOSFET管的源极相连，第二二极管的正极通过第二电容与JFET管的漏极相连。第三输出绕组的第一输出端与第三MOSFET管的源极相连，并与JFET管的栅极相连。第三输出绕组的第二输出端与第三二极管的正极相连，第三二极管的负极与第三MOSFET管的栅极相连。第三MOSFET管的漏极与JFET管的漏极相连；第一MOSFET管的漏极与天线相连；第二MOSFET管的漏极接地。通过本发明的方案，能够使得核磁共振测井仪在200摄氏度的高温下长时间连续工作，并能够有效抑制高温环境下仪器探头的振铃和死区时间，保证了高温核磁共振测井仪在高温环境下的较高的仪器分辨率和信噪比。
本发明实施例方案具有以下优势：
1、由于高温环境下体硅工艺的MOSFET寄生的体二极管PN节反向漏电增大，会过快降低维持高压MOSFET管导通的GS极电容的电平，从而减小了维持泄放电路的导通状态的时间，导致高温泄放效果的下降，而高温JFET在高温下具备极低的漏电，且不具备寄生体二极管，本发明实施例方案将其替代高温控制MOSFET管，能够长时间维持住高压MOSFET管的GS极间电平，从而保证了泄放电路持续泄放的时间和性能。
2、采用高温SIC高压MOSFET管替代传统体硅高压MOSFET管，有效降低了高温下泄放模块对地导通电阻，从而更快将天线残余能量泄放至地，并消除了因体硅器件高温闩锁效应引起的泄放失效隐患，保证了高温环境下核磁测井仪的可靠性。
需要说明的是，以上所述的实施例仅是为了便于本领域的技术人员理解而已，并不用于限制本发明的保护范围，在不脱离本发明的发明构思的前提下，本领域技术人员对本发明所做出的任何显而易见的替换和改进等均在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种泄放电路，其特征在于，所述电路包括：隔离变压器、第一金属-氧化物半导体场效应晶体管MOSFET管、第二MOSFET管、第三MOSFET管、结晶型场效应晶体管JFET管、第一电容、第二电容、第一二极管、第二二极管和第三二极管；
其中，所述隔离变压器包括第一变压器和第二变压器；所述第一变压器包括第一输入绕组、第一输出绕组和第二输出绕组；所述第二变压器包括第二输入绕组和第三输出绕组；
所述第一输入绕组和所述第二输入绕组均与输入电源和泄放控制信号输出端相连；
所述第一输出绕组的第一输出端与所述第一二极管的正极相连，所述第一二极管的负极与所述第一MOSFET管和第二MOSFET管的栅极相连；
所述第一输出绕组的第二输出端与所述JFET管的漏极相连，并通过所述第一电容与所述第一MOSFET管和第二MOSFET管的源极相连；
所述第二输出绕组的第一输出端与所述第一输出绕组的第二输出端相连；
所述第二输出绕组的第二输出端与所述第二二极管的负极相连，所述第二二极管的正极与所述JFET管的栅极相连；并与所述第三MOSFET管的源极相连，所述第二二极管的正极通过所述第二电容与所述JFET管的漏极相连；
所述第三输出绕组的第一输出端与第三MOSFET管的源极相连，并与所述JFET管的栅极相连；
所述第三输出绕组的第二输出端与所述第三二极管的正极相连，所述第三二极管的负极与所述第三MOSFET管的栅极相连；
所述第三MOSFET管的漏极与所述JFET管的漏极相连；所述第一MOSFET管的漏极与天线相连；所述第二MOSFET管的漏极接地。
2.如权利要求1所述的泄放电路，其特征在于，所述泄放控制信号包括：泄放开启信号和泄放关闭信号；
所述第一输入绕组的第一输入端与所述输入电源相连；所述第一输入绕组的第二输入端与泄放开启信号的输出端相连；
所述第二输入绕组的第一输入端与所述输入电源相连；所述第二输入绕组的第二输入端与泄放关闭信号的输出端相连。
3.如权利要求1所述的泄放电路，其特征在于，所述泄放电路还包括控制电阻；所述控制电阻的一端与所述JFET管的源极相连，另一端与所述第一MOSFET管和第二MOSFET管的栅极相连。
4.如权利要求1所述的泄放电路，其特征在于，所述输入电源为VCC电源；所述VCC电源是指市电通过交流-直流AC-DC变换，并进行一次降压后获得的电压。
5.如权利要求1所述的泄放电路，其特征在于，所述第一二极管为高压防反向二极管。
6.如权利要求1所述的泄放电路，其特征在于，所述第一电容和所述第二电容均为高温高压贴片陶瓷电容C0G电容。
7.如权利要求1所述的泄放电路，其特征在于，所述第一MOSFET管、第二MOSFET管和第三MOSFET管均采用通过碳化硅材料半导体SIC工艺高温封装的MOSFET管。
8.如权利要求7所述的泄放电路，其特征在于，所述第一MOSFET管、第二MOSFET管和第三MOSFET管满足225度的结温需求。
9.一种泄放芯片，其特征在于，包括如权利要求1至8任意一项所述的泄放电路。
10.一种核磁共振测井仪，其特征在于，包括如权利要求1至8任意一项所述的泄放电路，或包括如权利要求9所述的泄放芯片。
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