全電動智能井井下高溫穩壓電源研究

郭鵬軍，尹思淇，袁 瑛，景曉鵑，史 秦

（西安石油大學電子工程學院 陜西 西安 710065）

1 引言

在智能井井下測控裝置、隨鉆測井（MWD）、隨鉆錄井（LWD）中都要用到高溫直流穩壓電源，井下電源來源于鉆井液驅動的渦輪電機，由于鉆進過程中流量不穩導致井下電壓浮動較大故井下直流電源應具有高溫和寬范圍輸入的適應性。為保證井下直流電源具有更高的適應性，以滿足輸入電壓寬范圍變化的要求。本文主要考慮在油井高溫的條件下使用的開關電源，用PWM控制電路從而實現寬輸入高溫直流電源的設計。

2 工作原理

由于設計要求的最高輸入電壓為72V，要想得到最終輸出12V的結果，如果直接采用DC-DC的方式，需要6倍的DC-DC，然而市場上沒有6倍耐高溫的DC-DC模塊所以直接從12V～72V穩壓到所要求的±12V輸出，電路設計難度大，實現困難。該直流穩壓電源采用二級穩壓方法，即在前端粗調將電機輸出的交流電調控到輸出電壓附近，再采用DC-DC穩壓模塊和濾波電路進行細調。二級穩壓的直流穩壓電源設計如下：首先通過整流將交流電壓變換為直流電壓，進行一級濾波，采用斬波型穩壓方式以改變開關電路的占空比得到單向脈動直流，將12V～72V輸入調到較窄的范圍，進行前端粗調，再采用DC-DC模塊的設計思路。前端設計原理框圖如圖1所示。

圖1 前端設計原理框圖

3 高溫穩壓電源的系統設計

電源包括三大部分：第一、整流部分，利用整流橋進行整流，將變壓器次級交流電壓變換為直流電壓；第二、濾波處理，將直流電壓變換為平滑的直流電壓；第三、穩壓部分，利用TL431、SG3525、CD4069以及MOSFET等器件組成的PMW開關電源的穩壓電路部分；第四、采用DC-DC穩壓模塊進行二次穩壓及濾波部分。具體電路結構框圖如圖2所示。

圖2 電路結構框圖

當輸入電壓為12V～72V（6*左右）交流輸入時，先整流成直流電壓信號，然后經檢測電路降壓處理，在經過控制運算電路得到與檢測電路前的電壓成反比的電壓輸出，即輸入電壓增大而導致輸入占空比增大時相應的輸出電壓的占空比減小。

3.1 整流電路設計

整流電路選用全橋整流電路，由于整流后的波形會有小的毛刺所以在整流之后加了濾波電路，采用RC濾波，使波形更加平滑。其整流電路圖如圖3所示。

圖3 整流電路圖

3.2 濾波電路設計

考慮使用RC濾波電路，此濾波電路簡單可靠，選擇使用400V100μF的電解電容，旁路電容也選擇利用400V100μF的電解電容，這樣可以有更好的濾波效果，其濾波電路圖如圖4所示。

圖4 濾波電路圖

3.3 信號處理及PWM控制電路設計

選用SG3525直接驅動MOSFET的電路，由于電路輸出時占空比只能最高達到50%，所以選擇將11腳和14腳都同通過二極管IN4148連接后相連再輸出，這樣就可以得到理論上占空比達到100%的電路。

電源信號采集選用了GPT-206B互感器，互感器檢測出來的電壓需送入SG3525中進行控制PWM的占空比但SG3525的輸入電壓為1V～3V，由互感比例計算得出互感后的電壓在1.4V～7.8V左右，所以在SG3525前端需要加入一個運放電路，使其放大倍數為0.4倍。

因為要得到與輸入電壓成反比的PWM對MOSFET進行PWM開關控制，即輸入電壓增大時相應的輸出信號的占空比減小，所以采用CD4069實現了信號的反相運算處理得到OUT4對MOSFET進行直接驅動，其PWM控制電路原理圖如圖5所示。

圖5 PWM控制電路原理圖

3.4 DC-DC穩壓電路設計

LM2596S能夠輸出3A的驅動電流，同時具有很好的線性和負載調節特性。可調節輸出小于37V的各種電壓，DC-DC穩壓模塊選用LM2596S穩壓芯片搭建的可調降壓穩壓電路，后續加以多級濾波電路減小紋波。經MOS開關控制后的粗調電壓接入DC-DC穩壓電路進行二次穩壓，最終得到直流12V的電源，其電路原理圖如圖6所示。

圖6 DC-DC穩壓電路圖

4 研究結果及結論測量

在正常室溫的環境下，用萬用表測量各個節點電壓，并將整個設備放入50℃和80℃環境下，測得穩壓后的輸出電壓列表如表1所示。

表1

由測試可知，當測量端的電壓增大時，MOSFET的開關幅度減小，滿足設計要求。當輸入電壓變化時，MOEFET開關處的占空比相應變化，從而改變了輸出的有效值，而所需的是負載兩端的平均值，后續經DC-DC穩壓模塊穩壓后輸出電壓基本維持在12V在加熱的環境下仍然穩定在12V附近結果滿足設計要求。