作的时间方面的时序图。
[0028] 用于实现本发明的方式
[0029] 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（I巧类型地球物理测量。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-lOkV)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W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"跳变化ic化ack)"电压被瞬变电压吸收器吸收。
[0030] 在本文描述的运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W及电流的关闭的时间精确度 的损害，运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W与电火花或甚至电弧的 形成相比很慢的速度打开（分开），运使触点元件磨损。运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，运与磨损、降级、或环境变化一起可能不利地影响时间精确度。运 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。
[0031] 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-lOkV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运些器件的故障。IGBT上需要大散热片W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，运 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。运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。
[0032] 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W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运样的 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IV)且半导体元件中散失的功 率是可忽略的。
[0033] 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W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，运是低得足W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（I巧测量，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。
[0034] 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。
[0035] 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、W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112W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。
[0036] 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）W 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W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 SchlumbergeiNWennera、Wenner0,Wenner丫、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，运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。
[0037] 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,在一些实施例中运被配置成 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W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W控制半导体开关 元件210。此外，在各实施例中，光绝缘体可禪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W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、静电放电巧SD)、射频（R巧传输、或各种其他源的电压浪 涌、瞬变、或其他运样的扰动。
[0038] 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禪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207W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，在一些实施例中运是约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。
[0039] 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串联连接且连接到禪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串联连接且连接到禪合在它们之间的调查控制器 102 (回忆图1和2)的输出端"B"。在运样的配置中，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