[发明专利]高功率电流开关

说明书

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。

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Advanced Geosciences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。