Высокочастотные преобразователи для приборов...

Высокочастотные преобразователи

для приборов ядерно-магнитного

резонанса (ЯМР) в нефтегазовой

отрасли

Доклад представлен на кафедре промышленной электроники

Киевского Политехнического Института

5 Июня 2013 года

Алексей Тышко

Principal Electrical Engineer

PetroMar Technologies

Pennsylvania, USA

Киев 2013 1

Высокочастотные преобразователи для ЯМР приборов

Содержание

• Кому это нужно

• Как работает ЯМР

• Технические требования

• Возможные решения

• Основные проблемы

• Предлагаемые решения

Киев 2013 2


Ископаемое горючее все еще является основой современной

цивилизации обеспечивая ее потребности в электрической энергии,

транспорте, металлургии и химии.

Так называемая “зеленая энергетика“ пока не может заменить по

надежности, доступности и энергоемкости газ, нефть и уголь.

Мировое производство нефти и газа в 2012 году примерно ~$4.37T по

сравнению, например, с $3.03T в 2007 году. Дневная добыча >75000 бочек.

Компании, занятые в разведке и добыче нефти и газа, так называемые

“energy service companies” в основном находятся в США с главными

оффисами в Хьюстон, Техас. Эти компании являются основными игроками

рынка и основными потребителями самих передовых методов разведки

месторождений нефти и газа. Точность и скорость зондирования являются

решающими параметрами особенно когда сутки доступа к скважине могут

стоить например $1M на глубоководной платформе (Discovery - $630M).

Киев 2013 3

Company Revenue $M Employees Headquarter location

Schlumberger 39669 113000 Houston, US

Halliburton 24829 68000 Houston, US

Baker Hughes 19831 57000 Houston, US

Три кита енергетического рынка

Высокочастотные преобразователи для ЯМР

Киев 2013 4

Sandia National Laboratories, Albuquerque, New Mexico 2009

Солнечная энергетика – конкурент в будущем


Киев 2013 5

Мощь солнца – тест 19-4-1989,, 105 гелиостатов сконцентрировали 2.5МВт на 12мм

алюминиевой пластине, через 23 сек получилаось проплавление.

Снимок 1-6-2009, Sandia National Lab, Albuquerque, New Mexico



Киев 2013 6

Приемник излучения солнечной электростанции, максимальная тепловая

мощность 4,5МВт, циркулирует расплав солей 288С – 586С.



Киев 2013 7

Очень красивое решение Stirling Energy Systems

Преимущества - работает

• Солнечный концентратор

• Стирлинг + генератор

• Не нужно воды, расплаленных

солей, турбин

• Может работать в пустыне

• Модульная конструкция по 25кВт

• Можно набрать любую мощность

Недостатки – не работает

• Ночью

• Хоть какое-то облачко на небе

• Начинает работать через час

после восхода солнца

• Компания обанкротилась в 2011



Киев 2013 8

Ветровая энергетика

• Единичная мощность до 5МВт

• Может работаеть ночью

• Может работаеть зимой

Недостаток – может не работать

• Нет ветра или меньше 4м/сек

• Может не работать очень долго –

пример Дания, за февраль 2003

года все 6000 ветряных турбин

выработали 0 кВт-часов.

Энергию покупали в Германии и

Норвегии

Экспериментальная станция

о. Утсира, Северное море, Норвегия

2006-6-19.

Energex 2006, Stavanger, Norway

Ветровая энергетика – конкурент в будущем


Киев 2013 9

Министерство энергетики Чешской республики доложило в 2010г

что их энергосистема не может принять больше 17%

возобновляемых источников без потери стабильности из-за

непредсказуемости оных и необходимости держать в дежурном

режиме угольные электростанции или газотурбинные генераторы

быстрого запуска

Поэтому реально сейчас и в течение ближайших десятилетий

основой мировой энергетики будут оставаться:

• Уголь

• Нефть

• Газ

• Атомная энергия

• Гидроэнергетика

Транспорт (нерельсовый) будет полагаться на нефть и газ –

поэтому цены будут расти и потребность в передовых технологиях

и толковых инженерах тоже


Киев 2013 10

Распределение разведанных запасов нефти и газа по регионам


Киев 2013 11

Распределение разведанных запасов нефти и газа по планете


Киев 2013 12

Пример структуры месторождения нефти между соляным куполом

и плотным слоем осадочных пород (Beaumont, Texas 1901)


Киев 2013 13

Discoverer EnterpriseПринадлежит Transocean

• Длина – 255м

• Водоизмещение – 103000т

• Высота бурильной вышки - 127м

• Колочество бурильных вышек - 2

• Максимальная длина секции трубы - 42м

• Бортовая силовая установка - 40МВт

• Динамическая позиционная система включает

шесть тяговых винтов каждый по - 7000 лс

• Максимальная рабочая глубина - 4км

• Максимальная глубина бурения - 11км

• Количество людей на борту - 200

• Стоимость корабля $630M

• Стоимость рента в день до $1M


Киев 2013 14

Для проходки скважин используются буровые головки диаметром от

100мм и выше. Причем чем глубже – тем больше диаметр.

Музей г. Стафангер, Норвегия


Киев 2013 15

Самая большая в мире буровая головка 90см – использовалась при

проходке основного ствола на шельфовом месторождении Тролль в

Северном море (Норвегия) – находится в музее г. Стафангер, Норвегия


Киев 2013 16

На какие вопросы должен дать прогон зонда по скважине

(запись по глубине – лог)

• Есть ли нефть (газ или вода) и на какой глубине

• Пористость породы – сколько нефти в кубометре породы

• Можно ли откачать эту нефть (или воду)

• Ожидаемая продуктивность или дебит скважины, зависящий

от вязкости (легкая или тяжелая нефть)

• Структура пористости – распределение пор по размерам

• Температура – влияет на вязкость

• Давление

На основе этих данных (из нескольких скважин) делается

оценка месторождения

• Сколько нефти (газа) содержит месторождение

• Сколько можно добыть при использовании каких технологий

• Сколько нужно вложить денег в разработку этого

месторождения

• Какую прибыль можно получить

• Связанные с разработкой технические риски

• Нетехнические риски (их несколько)


Киев 2013 17

Для получения лога нужны приборы (в составе зонда)

обеспечивающие максимально достоверную информацию

Самая достоверная информация может быть получена из

образцов породы (керн). Это очень долго и дорого.

Используются косвенные методы определения из которых

Ядерный Магнитный Резонанс дает наиболее точные и

достоверные результаты.

• Определяется пористость породы с разрешением до 1%

• Определяется структура – распределение пор по размерам

• Определяется вязкость нефти

Ищем водород!


Киев 2013 18

Принципы ЯМР и

приложения для оценки

скважин – книга добротно

написана и может служить

полезным источником

информации для

профессионалов и

любителей

Aвторы:

George Coates

Lizhi Xiao

Manfred Prammer

Halliburton Energy Services,

USA 1999

Можно загрузить с

интернета бесплатно

Ищем водород по магнитному моменту


Киев 2013 19

Несколько последующих иллюстраций принципа работу ЯМР

взяты из книги Манфреда Праммера – высокий слева.

NUMAR Halliburton, Exton, PA, USA


Киев 2013 20

И несколько других взяты из статьи Стефана Менгера –

высокий справа. NUMAR Halliburton, Exton, PA, USA


Киев 2013 21

Благодаря внутреннему магнитному полю ядро водорода (протон)

можно представить в виде маленького магнита. В отсутствие

внешнего поля протоны ориентированы хаотично.



Киев 2013 22

При наличии внешнего магнитного поля Во протоны начинают

прецессировать, выстраиваясь вдоль Во

Частота прецессии fL – Ларморовская частота – определяется

гиромагнитным соотношением протона и величиной Во.

для водорода (протонов) 42,58МГц/Тесла

2

0BfL



Киев 2013 23

Поляризация

• Процесс массовой ориентации магнитных моментов

моментов протонов вдоль внешнего поля называется

поляризацией. Она приводит к появлению дополнительной

компоненты общего магнитного вектора.

• Против поляризации работает тепловая энергия которая

разрушает порядок стремясь вернуть протоны в

равновесное. хаотическое состояние

• Время поляризации (релаксации) Т1 зависит от среды,

температуры и других факторов.



Киев 2013 24

Процесс поляризации. За период равный трем Т1 вектор поляризации

достигает 95% предельного значения



Киев 2013 25

Если приложить к исследуемому обьему переменное магнитное

поле В1 перпендикулярно Во, протоны будут раскачиваться с

частотой В1 и если эта частота совпадет с Ламоровской,

резонансной, протоны будут поглощать энергию и отклоняться от Во



Киев 2013 26

Угол отклонения – tip angle θ – зависит от величины переменного

магнитного поля В1 и длительности этого импульса τ



Киев 2013 27

После приложения 90° или PI/2 импульса начинается свободно

индуцированное затухание (free induction decay) суммарного поля

протонов, которое можно зарегистрировать как эхо сигнал



Киев 2013 28

Чтобы получить эхо сигнал сначала (1) необходимо приложить 90°

импульс В1, после которого начинается расфокусировка (2).

В момент τ (3) импульс 180° разворачивает фазовые углы и начинает

рефокусировку (4). В момент (5) через 2τ суммарный сигнал достигает

максимума и может быть измерен.



Киев 2013 29

Чтобы получить серию (echo train) ЯМР эхо импульсов используется

последовательность импульсов В1 начинающуюся 90° импульсом и далее 180°

импульсы В1 через равные промежутки 2τ.



Киев 2013 30

Амплитуды затухающих эхо сигналов дают экспоненциально

затухающую кривую с постоянной времени Т2



Киев 2013 31

Временная диаграмма измерения показывает последовательность

импульсов В1 (сверху), а также кривые поляризации (T1 relaxation) и эхо

сигналы в процессе измерения.


Так выглядит результат измерения ЯМР эхо-сигнала до обработки

Напряжение в антенне при передаче -1000В, при приеме <1мкВ


Киев 2013 32



Киев 2013 33

Время затухания Т2 зависит от размера пор: чем меньше размер тем

быстрее затухает эхо сигнал. При наличии разных по размеру пор

результирующая затухания состоит из набора экспонент с разными Т2



Киев 2013 34

Получив начальные данные по затуханию сигнала можно

разложить кривую затухания на набор экспонент (процесс

инверсии) аналогично преобразованию Фурье для периодического

сигнала. При этом получается распределение величины эхо

сигнала пропорционального количеству протонов (воды, рефти) в

порах различного размера, т. е. статистическая кривая

распределения размеров пор в породе.



Киев 2013 35



Киев 2013 36


По времени затухания Т2 можно определить не только что находится

там, за стенкой скважины, но и можно ли это извлечь


Киев 2013 37


Пример лога MRIL-WD Халлибертон полученного во время бурения.


Киев 2013 38

Меняя временные параметры импульсов и используя 2D представление

результатов обработки эхо сигнала, можно не только определять что находится

в породе – вода, нефть, газ – но и такие параметры как например это легкая

или тяжелая нефть, пойдет сама или нужно будет качать. Паспорт на нефть.



Киев 2013 39


Пример лога на основе данных MRIL Prime tool, Halliburton


Киев 2013 40

Как заставить водород откликнуться

Задача – спроектировать антенну, которая содержит сильные постоянные

магниты, создающие поле Во, и электромагниты, способные генерировать ВЧ

поле, перпендикулярное Во, причем в толще породы, за стенкой скважины,

дабы избежать сигнала из загрязненной буровым раствором зоны.

Примеры конфигурации чуствительной зоны трех разных приборов трех фирм.


Киев 2013 41


Конфигурация магнитных полей и чуствительных зон для многочастотных ЯМР

приборов Халлибертона и Шламберже


Киев 2013 42

MRIL Prime – первый успешный на мировом рынке ЯМР прибор работающий на

нескольких частотах, что позволило существенно улучшить точность измерений

и увелить скорость перемещения по скважине



Киев 2013 43

MRIL Prime – глубина измерения 45см для низкой и 40см для высокой

частоты, что делает прибор находящийся в скважине диаметром 30см

нечуствительным к промоинам меньше 5см.



Киев 2013 44



Киев 2013 45

Первый в отрасли определитель жидкостей – MRILab fluid identification

tool - определяющий параметры жидкости непосредственно в скважине

Downhole Laboratory Analysis of Reservoir Fluid Properties, Bob Engelman, ,Ron Cherry



Киев 2013 46

Технические требования к разработке силовой части ЯМР

прибора (пример)

• Рабочая частота 500кГц

• Индуктивность антенны 1мкГ

• Длительность PI/2 импульса 60мкс

• Форма огибающей импульса Ханн

• Точность передачи огибающей импульса 5%

• Нестабильность фазы тока в антенне во время импульса <2°

• Пиковый ток в антенне 310А

• Потери в антенне, параллельное сопротивление 300Ω - 30Ω

• Минимальный период следования импульсов 0,4мс

• Напряжение питания – максимальное 600В

• Напряжение питания – минимальное 400В

• Сигналы управления TBD

• Габаритные ограничения (внутренний диаметр трубы) 150мм

• Рабочая температура окружающей среды 175С

Начало разработки


Киев 2013 47

Полная погрешность измерения прибора δизм

Где наиболее весомыми являются погрешности связанные с

• нестабильностью амплитуды выходного напряжения передатчика δп

• нестабильностью коэффициента усиления в канале эхо-сигнала δс

• тепловой шум в канале приема δш

• затухающие остаточные колебания – звон системы δз

• нестабильностью фазы тока в антенне δф

Если максимальная погрешность составляет 1% от полной шкалы

прибора, то вклад каждой из независимых компонент должен быть

существенно меньше 0,5%

Баланс погрешностей


Киев 2013 48

Амплитуда эхо-сигнала имеет максимум когда первый импульс наклоняет спин

ровно на 90 градусов (PI/2 pulse). Зависимость описывается косинусом угла

поворота, пропорционального длительности импульса при фиксированной

амплитуде. Из описания UNIQ PMR MR Resources, настольный ЯМР анализатор

Передаточная характеристика ЯМР системы


Киев 2013 49

Амплитуда эхо-сигнала имеет максимум когда первый импульс

наклоняет спин ровно на 90 градусов (PI/2 pulse, длительность Т).

Зависимость изменения величины сигнала при отклонении от

оптимального угла описывается косинусом угла отклонения или

нестабильности, пропорционального длительности импульса при

фиксированной амплитуде или интеграла произведения тока на

напряжение.

Погрешность эхо-сигнала 1% 0,5% 0,2%

Погрешность интеграла возбуждения 17% 12% 6%

Погрешность эхо-сигнала от нестабильности

передатчика


Киев 2013 50

Влияние нестабильности (погрешности) амплитуды импульса тока

антенны на амплитуду принимаемого эхо-сигнала

Погрешность эхо-сигнала от нестабильности

передатчика


Киев 2013 51

Структура силовой части на основе двух мостовых преобразователей,

трансформаторного модуля суммирования и выходного фильтра,

подключенного к антенне ЯМР прибора

Генерирование импульсов в антенне

Vo


Киев 2013 52

Симметричная фазосдвигающая или векторная модуляция

принцип Ширекс – Догерти (Chireix – Doherty)

Векторная модуляция


Киев 2013 53

Напряжение на входе фильтра – результат суммирования выходного

напряжения двух преобразователей постоянного тока в переменное с

выходным напряжение каждого преобразователя прямоугольной формы

Выходное напряжение передатчика


Киев 2013 54

Выбор формы огибающей АМ

Две основные формы огибающей импульсов передатчиков В1

используемые на практике в ЯМР приборах

• Прямоугольная – имеет минимальную амплитуду и соответственно

мощность при заданной длительности, может быть генерирована

преобразователем простейшей структуры (например один мост), но

в конце импульса напряжение в антенне имеет 100% амлитуду и

требуется значительное время для затухания колебаний в системе

перед началим измерения эхо-сигнала (например от 500В до <1мкВ)

• Функция Ханна – амлитуда в два раза больше и соответственно

мощность в четыре раза при заданной длительности, но в конце

импульса амплитуда колебаний в антенне <1В, поэтому к моменту

начала измерения уровень остаточных колебаний в антенне

существенно ниже и, следовательно, точность измерения выше

В приведенном выражении функция Ханна определена на участке от

-0,5 периода до + 0,5 периода функции с максимумом в центре


Киев 2013 55

Прямоугольный АМ сигнал и Ханна соответствующие одинаковому повороту

вектора поляризации протонов для PI/2 импульса 60мкс, для рефокусирующих

импульсов PI длительность в 2 раза больше при той же амплитуде

Огибающие импульса передатчика


Киев 2013 56

Генерирование управляющего сигнала АМ воспроизводящего функцию Ханна

Функция Ханна для АМ сигнала


Киев 2013 57

Два сигнала огибающей +АМ и –АМ и несущий высокочастотный

сигнал на входе векторного модулятора

Сигналы на входе модулятора


Киев 2013 58

Формирование сигналов управления ведущим и ведомым преобразователями

Модулятор


Киев 2013 59

Временные диаграммы работы симметричного фазосдвигающего

модулятора – принцип Ширекс - Догерти

Формирование сигналов управления в модуляторе


Киев 2013 60

Прямоугольный сигнал с широтно-импульсной модуляцией на входе

фильтра и синусоидальный сигнал после фильтра в антенне

Восстановление импульсов в антенне


Киев 2013 61

Ток в антенне (бирюзовый), ток передатчика (красный) и две симметричные

кривые в модуляторе, определяющие огибающую Ханна

Сигналы на входе антенны и в антенне


62

Формы напряжения на антенне (вверху) и тока на входе антенны (внизу) для

первого (PI/2) и второго (PI) импульсов в рабочей последовательности

Киев 2013

PI/2 и PI импульсы в антенне


Киев 2013 63

Напряжение в антенне (сверху) и ток передатчика для PI/2 импульса

PI/2 импульс в антенне


Киев 2013 64

Использование наиболее эффективного с точки зрения потерь в

силовых компонентах ключевого режима работы выходное напряжение

каждого преобразователя имеет форму близкую к прямоугольной с

фронтами, крутизна которых ограничена

• максимальной скоростью переключения выходных транзисторов при

использовании “жесткого“ режима (hard switching mode)

𝒅𝑽

𝒅𝒕<50V/нс

• выходной емкостью каскада и величиной переключающего тока – в

режиме “мягкого“ переключения (soft switching – ZVS mode)

Полная мощность потерь в транзисторах содержит три компоненты

• протери проводимости, пропорциональные произведению

эффективного значению тока на сопротивление канала исток-сток в

режиме проводимости

• Динамические потери исток-сток в момент переключения

• Динамические потери при перезарядке затвора


Киев 2013 65

Выходной каскад одного из двух мостовых преобразователей,

образующих передатчик

Мостовой преобразователь – основа передатчика


Киев 2013 66

Относительная амплитуда нечетных гармоник En как функция

угла сдвига фаз φ при симметричной векторной модуляции.

Номер гармоники и соответствующий цвет кривой – на графике

Прямоугольные импульсы генерируют гармоники


Киев 2013 67

В жестком режиме включение транзистора происходит при полном

напряжении на стоке, при этом разряд выходной нелинейной емкости стока

происходит через сам транзистор и накопленная энергия выделяется в виде

тепла в полупроводниковой структуре. Для ограничения сквозного тока в

момент переключения используются последовательные индуктивности.

В мягком режиме обеспечивается индуктивный характер нагрузки во всем

рабочем диапазоне нагрузок и перезарядка внутренних емкостей происходит

внешним индуктивным током.

Потери проводимости определяются всеми гармониками выходного тока.

Первая – полезная - гармоника возбуждает антенный контур и рассеивается

в основном сопротивлением потерь нагрузки.

Величина тока каждой из высшие гармоники (n>1) практически определяются

величиной напряжения соответствующей компоненты в выходном сигнале

перед фильтром и импедансом фильтра для этой компоненты.

Для уменьшения величины высших гармоник целесообразно увеличение

индуктивности фильтра, но при этом суживается полоса пропускания

фильтра что создает другие проблемы


Киев 2013 68

Спектр тока в катушке антенны – который создает поле В1 (HI Q)

Спектр тока в нагрузке - антенне

20db


Киев 2013 69

Спектр выходного тока передатчика для нагрузки с малыми потерями Q ~100

Спектр тока на выходе передатчика- на входе антенны

20db


Киев 2013 70

Спектр выходного тока передатчика для нагрузки с большими потерями Q ~10

Спектр тока на выходе передатчика- на входе антенны

20db


Киев 2013 71

Снижение потерь проводимости в преобразователях

Относительная суммарная мощность высших гармоник как функция угла

смещения компенсации для разных величин импеданса антенного фильтра

Угол, град

Относительные потери

3 гарм +3db

3 гарм +0db

3 гарм -6db

3 гарм -10db


Киев 2013 72


Добавление смещенного по фазе на 60° преобразователя в каждый из двух

каналов S1, S2 преобразователей передатчика (по патентной заявке)


Киев 2013 73

Подавление третьей гармоники путем добавления задержанного на

60° канала в симметричном фазомодулированном передатчике



Киев 2013 74

Выходное напряжение передатчика с подавленной третьей гармоникой,

часть импульса PI/2 60мкс



Киев 2013 75

Выходное напряжение передатчика с подавленной третьей гармоникой,

полный импульс PI/2 60мкс



Киев 2013 76

Основная схема формирования симметричного фазомодулированного

управляющего сигнала 997V (gain 160 ) and 1008V (gain 2x95)



Киев 2013 77

Спектр выходного тока с подавленной третьей гармоникой

-22db-10db -14db

3H 5H 7H



Киев 2013 78

При высокой добротности антенны на падающем склоне огибающей импульса

энергия запасенная в антенне частично возвращается в накопитель энергии

через преобразователи – показано: ток на входе преобразователя может

иметь отрицательный пик

Обмен энергией между антенной и передатчиком


Киев 2013 79

Потери проводимости ключевых компонентов – транзисторов – определяются

сопротивлением исто-сток и среднеквадратичным током через ключ.

С увеличением температуры сопротивление сток-исток полевых транзисторов

с изолированным затвором (MOSFET) возрастает. К тому же сопротивление

зависит от амплитуды тока, поэтому лишь с осторожным приближением можно

назвать полевой транзистор линейным компонентом и соответственно

применять правило независимой суперпозиции токов.

Потери проводимости транзисторов при высокой температуре


Киев 2013 80


Для использования транзисторов в ЯМР приборах для работы при 175С было

проведено исследование задачей которого было определить как меняется

сопротивление исток-сток Rdson в зависимости от температуры и тока до 200С.

Как правило справочные данные дают параметры для 25С и 150С

Выходные характеристики исток-сток для MOSFET IPB60R099 при 25С и 150С


Киев 2013 81

Точками 1 и 2 обозначены приведенные в паспортных данных

величины сопротивления исток-сток (Rdson) измеренные при 25С и

150С при фиксированных значениях тока стока.

Зеленым цветом показана зона пиковых токов, в которой можно

использовать разработанную модель до 185С

Известна модель описывающая сопротивление исток-сток Rdson

Где используется величина сопротивления сто-исток, определенная при

25С и температура Т транзистора в градусах Кельвина.

Данное выражение не включает зависимость от тока, что снижает

точность описания поведения транзистора при расчете максимальной

температуры прибора.



Киев 2013 82

Распределение величины коэффициента К в зависимости от напряжения стока

Для проверки применимости известного выражения и его модификации был

проведен анализ данных доступных для широкого применения транзисторов.

Прежде всего была проверена зависимость коэффициента изменения

сопротивления исток-сток К от максимального напряжения стока



Киев 2013 83

Далее коэффициент К был сопоставлен с показателем степени P в уравнении (равным 2.3)

и определены группы (по напряжению) транзисторов, к которым может быть применено это

уравнение. Как видно уравнение с параметром 2,3 применимо для ограниченной группы.

Для практического применения подходят транзисторы с напряжением стока 600В – 1000В,

поэтому зона интереса была сужена до зеленой зоны.



Киев 2013 84

Следующие шаги были основаны на предположениях общего порядка

• Максимальная простота (KISS – keep it simple, stupid) и использование данных

производителя – сопротивление при 25С и коэффициент 𝐑𝐧, определяющий

зависимость этого сопротивления от температуры и тока

𝐑𝐃𝐒 𝐨𝐧 𝐓, 𝐈 = 𝐑𝐃𝐒 𝐨𝐧 𝟐𝟓𝐂, 𝐈𝐭𝐞𝐬𝐭 ∗ 𝐑𝐧

• Для комнатной температуры использовать линейную зависимость сопротивления от тока

определяемую по приведенному в паспорте графику

Rn = 1 + a*(M – 1)

• нормированный ток M – отношение рабочего тока I к току Itest, при котором

производитель тестировал сопротивление сток-исток при 25С и 150С

𝐌 = 𝐈/𝐈𝐭𝐞𝐬𝐭

• В температурную зависимость вместо параметра 2.3 использовать двухчлен

включающий нормированный ток М и два параметра b и c, характеризующие конкретный

транзистор. При токе равном тестовому (М=1) сумма b+c=P

𝟐. 𝟑 → 𝐛 + 𝐜 ∗ 𝐌



Киев 2013 85

Окончательное выражение для зависимости сопротивления исток-сток полевого транзистора

с изолированным затвором – нормированная зависимость

𝐑𝐧 = 𝟏 + 𝐚 𝐌− 𝟏 ∗𝐓

𝟑𝟎𝟎

𝐛+𝐜𝐌

Полная версия

𝐑𝐃𝐒 𝐨𝐧 𝐓, 𝐈 = 𝐑𝐃𝐒 𝐨𝐧,𝐭𝐞𝐬𝐭 ∗ 𝟏 + 𝐚𝑰

𝑰𝒕𝒆𝒔𝒕− 𝟏 ∗

𝐓

𝟑𝟎𝟎

𝐛+𝐜𝐈/𝐈𝐭𝐞𝐬𝐭

Для проверки предложеннoго выражения реальностям жизни несколько групп транзисторов

с предельными напряжениями 600В – 900В были тестированы в импульсном режиме при

температуре от +25С до +200С. Для предотвращения влияния нагрева проходящим током

использовались импульсы длительностью 10мкс при периоде следования 1с.

Ток измерялся по падению напряжения на безиндукционном резисторе, напряжение сток-

исток с использованием дифференциальрых усилителей. Были приняты все меры для

повышения точности измерения.

Каждая группа содержала по 10 транзисторов и данные измерений были усреднены.

По напряжению и току рассчитывалась величина сопротивления исто-сток (Rdson).

Проводилась процедура оптимизации параметров b, c по максимальной корелляции.



Киев 2013 86

Нормированннй Rdson для IPW90R120 Нормированный Rdson длдя IPB60R099

Результаты по остальным группам тестированных транзисторов, их коэффициенты

a, b, c и погрешности – коэффициент корреляции R и относительная погрешность

𝝈𝒓𝒆𝒍 приведены в таблице ниже

MOSFET Vd max, V I test, A Rds(on) Ω a b c R Ϭ rel

IPB60R099 600 18 0.09 0.07 2.6 0.32 0.999 0.017

STP11N80 800 5.5 0.35 0.04 2.6 0.32 0.991 0.059

SPP17N80 800 11 0.29 0.05 2.4 0.34 0.998 0.027

IXFH24N90 900 12 0.42 0.03 2.7 0.15 0.999 0.023

IPW90R120 900 26 0.12 0.08 2.7 0.35 0.999 0.025



Киев 2013 87

Заключение

• В докладе представлена ситуация в энергетике в общем и нефтегазовой

отраслии в частности;

• Показана как работают приборы на принципе ЯМР в отрасли и почему

интерес к этой новой для отрасли технологии растет;

• Приведены примеры примеры реализации приборов ЯМР;

• Обоснованы требования к проектированию приборов;

• Изложены принцип векторной модуляции и пути его реализации;

• Проанализирована работа системы генерирования высокочастотного

сигнала большой мощности для питания антенны;

• Проведен анализ потерь проводимости для основной и высших гармоник;

• Предложен метод уменьшения потерь выбором оптимальной топологии,

частично подавляющей высшие гармоники;

• Исследована зависимость сопротивления исток-сток мощных полевых

транзисторов от величины тока и температуры за пределами стандартных

паспортных данных до 200С;

• Предложено эмпирическое выражение пригодное для числового

моделирования потерь проводимости полевых транзисторов до +200С.


Киев 2013 88

• Global Oil and Gas Exploration & Production: Market Research Report www.ibisworld.com

• New deepwater drilling rigs extend search for energy, Houston Chronicle, April 9, 2010

www.chron.com/business/energy/article/New-deepwater-drilling-extend-search-for-

1711436php

• Bloch, F., “Nuclear Induction,” The Physical Review, Vol. 70, 1946.

• NMR Logging, Principles and Applications, George Coates, Lizhi Xiao, Manfred Prammer,

Halliburton Energy Services, USA 1999 Можно загрузить с интернета бесплатно

• Borehole NMR: Different Problems – Different Solutions, Stefan Menger www.liag-

hannover.de/fileadmin/user_upload/dokumente/FKPE/7.workshop/FKPE2003_Menger.pdf

• Energize your mind, Downhole Laboratory Analysis of Reservoir Fluid Properties

Bob Engelman, Ron Cherry, Halliburton.com May 2003

• Ядерный магнитный резонанс, В.К. Воронов, Иркутский государственный технический

университет, Соросовский Образовательный Журнал №10, 1996

• Реферат: Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) http://www.bestreferat.ru/referat-59808.html

Литература

http://www.ibisworld.com/

http://www.chron.com/business/energy/article/New-deepwater-drilling-extend-search-for-1711436php

http://www.liag-hannover.de/fileadmin/user_upload/dokumente/FKPE/7.workshop/FKPE2003_Menger.pdf

http://www.bestreferat.ru/referat-59808.html


Киев 2013 89

• Paul Wilkinson Dent. “Hybrid Chireix / Doherty Amplifiers and Methods”, Pat USA # 6,133,788,

Oct. 17, 2000

• Power Electronics, Converters, Applications and Design. Mohan, Underland, Riobbins, 2003

Wiley & Sons

• Высокочастотные преобразователи для приборов на основе ЯМР, работающие при

повышенных температурах, А.Тышко, В.Попов, ТехнЇчна ЕлектродинамЇка, Силова

ЕлектронЇка та ЕнергоефективнЇсть, Частина 2, ХаркЇв 2012

• A. Tyshko, Enhanced Transmitter and Method for Nuclear Magnetic Resonance Logging Tool,

Halliburton, US Patent Application 13347008, 2012-1-10

• Ralf Locher - Introduction to Power MOSFETs and Their Applications, Application Note

AN-558, National Semiconductor, 1988.

• IPB60R099, IPW90R120 datasheets, Infineon. Loaded from Digi-Key site.

• Design Note AN9010, K.S. Oh, Fairchild Semiconductors, 2000.

• Using Simulation to Estimate MOSFET Junction Temperature in a Circuit Application, David

Divins, International Rectifier, 2007.

Литература


Киев 2013 90

Обсуждение доклада


Киев 2013 91



Киев 2013 92



Киев 2013 93

Добавлено 9 февраля 2015

Алексей Тышко закончил Киевский Политехнический Институт в 1972.

Занимался преобразовательной и измерительной техникой.

После несколькин лет работы в Spellman High Voltage Co. USA, перешел в

компанию Halliburton, USA, и с 1997 года начал заниматься разработкой ЯМР

приборов (преимущественно силовой электроники). В своем активе имеет:

• MRIL-Prime Magnetic Resonance Image Logging Tool – вся силовая часть

включая передатчик;

• MRILab Magnetic Resonance Image Fluid Analyzer – вся силовая часть плюс

компоновка сенсора.

Патенты USA

• Magnetic resonance fluid analysis apparatus and method, Patent USA

US6737864, J. Bouton, P. Masak, M Prammer, E. Drack, A. Tyshko,

Priority date Mar 27, 2002, issued May 18, 2004

• Magnetic resonance fluid analysis apparatus and method, Patent USA

US7164267 B2, M. Prammer, J. Bouton, P. Masak, E. Drack, A. Tyshko,

Priority date March 28, 2001, issued Jan 16, 2007

• Enhanced transmitter and method for nuclear magnetic resonance logging tool,

A. Tyshko, Patent Application US 2013/0176140 A1, Priority Jan 10, 2012


Киев 2013 94

Добавлено 9 февраля 2015

Публикации по этой тематике

• A.Tyshko, V. Popov, High frequency inverters for NMR tools operating at elevated

temperature, Technical Electrodynamics, Special Edition, Power Electronics and

Energy Efficiency, ISSN 1607-7970, Vol. 2, 2012.

• A.Tyshko, V. Popov, An Estimation of the Conduction Losses for some MOSFETs

at Elevated Temperature, Energy Saving, Power Engineering and Energy Audit,

Special Edition, ISSN 2218-1849,

Vol. 2, 2013.

• A.Tyshko, Analyze MOSFET Parameter Shifts Near Maximum Temperatures,

Electronic Design, 2014, http://electronicdesign.com/power/analyze-mosfet-

parameter-shifts-near-maximum-operating-temperature

• A. Tyshko, Multi-Vector Outphasing Provides High Power, Low Harmonics,

Proceedings of IEEE 34th International Scientific Conference on Electronics and

Nanotechnology (ELNANO), April 15 – 18, 2014 Kyiv, Ukraine.

http://electronicdesign.com/power/analyze-mosfet-parameter-shifts-near-maximum-operating-temperature

Высокочастотные преобразователи для приборов...

Engineering

Transcript of Высокочастотные преобразователи для приборов...