解 慶 白玉新 羅 翔 程召江

(北京精密機電控制設(shè)備研究所 北京 100076)

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·儀器設(shè)備與應(yīng)用·

井下可組合式并聯(lián)均流通用電源*

解 慶 白玉新 羅 翔 程召江

(北京精密機電控制設(shè)備研究所 北京 100076)

文章針對井下高溫環(huán)境中的隨鉆儀器設(shè)備大功率用電需求，設(shè)計了一種通用化、組合式的并聯(lián)均流開關(guān)電源，采用并聯(lián)均流的方法將n個ZVS軟開關(guān)電源對接組合形成并聯(lián)，平均分配每個ZVS軟開關(guān)電源的輸出電流，實現(xiàn)了以多個獨立電源共同承載總電源系統(tǒng)的功率輸出，減輕了總電源系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)，提高了功率輸出，增加了可靠性。

并聯(lián)均流；開關(guān)電源；ZVS軟開關(guān)

0 引 言

由于受到井下高溫環(huán)境的限制，井下隨鉆電源系統(tǒng)必須具備高效率、耐高溫等優(yōu)點才能長時間在井下高溫環(huán)境中提供電能以滿足隨鉆設(shè)備大功率用電。常溫下的電源自身工作溫度上升，需要良好散熱條件來保證電源的正常工作，但在井下的狹窄密閉空間和高溫環(huán)境下，要保證電源長時間正常工作，普通工業(yè)級的開關(guān)電源無法滿足，國內(nèi)多數(shù)井下隨鉆電源系統(tǒng)的研制也都存在著難以克服的瓶頸。能滿足井下隨鉆儀器大功率供電需求、耐高溫、高效率和安全可靠的井下電源一直是井下儀器研發(fā)的重點。

針對上述井下電源問題，設(shè)計了一種通用化組合式的并聯(lián)均流高溫開關(guān)電源。根據(jù)井下供電需求，可將n個獨立的高溫開關(guān)電源(每個100 W)相互對接組合，采用并聯(lián)均流的方法使得所有電源統(tǒng)一并聯(lián)，應(yīng)用最大電流自動均流法均勻分配開關(guān)電源的輸出電流，使得每個獨立電源達到相同的電流輸出。這種方法使得系統(tǒng)總功率平均分配到每個獨立的開關(guān)電源上，例如系統(tǒng)總功率為300 W、3個軟開關(guān)電源并聯(lián)，所平均分配后每個開關(guān)電源只需要承擔(dān)100 W，從而減輕了系統(tǒng)總負(fù)擔(dān)，極大減少了發(fā)熱。

1 總體方案設(shè)計與技術(shù)指標(biāo)

本設(shè)計所述的井下可組合式的并聯(lián)均流通用電源系統(tǒng)采用移相全橋軟開關(guān)和并聯(lián)均流技術(shù)，通過三組并聯(lián)的方式將輸入電壓120 V～310 V的直流電高效轉(zhuǎn)換為48 V直流電，并提供300 W的大功率電能輸出。

井下可組合式的并聯(lián)均流通用電源由若干個獨立的移相全橋開關(guān)電源和并聯(lián)均流控制電路構(gòu)成，如圖1所示，每個獨立的移相全橋開關(guān)電源通過低帶寬的總線(V+，S+，S-，V-)連接到并聯(lián)均流控制電路，其中的電流采集器計算出每個移相全橋開關(guān)電源的輸出電流，然后輸出均流母線再將每個并聯(lián)均流控制電路連接在一起。

通過并聯(lián)均流控制電路監(jiān)視每一個電源的輸出電流,判斷出并聯(lián)電源輸出電流最大者,標(biāo)為主電源,其余為從電源。通過微調(diào)其他從電源的電壓反饋(S+和S-)，改變其輸出電壓(V+和V-)來實現(xiàn)均流,使其輸出電流與主電源輸出電流之差在5%以內(nèi)。

圖1 井下可組合式的并聯(lián)均流通用電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

獨立電源采用全橋移相ZVS軟開關(guān)技術(shù)，在移相控制的基礎(chǔ)上應(yīng)用諧振的原理，以及四個開關(guān)管并聯(lián)電容和輸出變壓器的漏感作為諧振元件，使得四個開關(guān)管依次按正弦或準(zhǔn)正弦規(guī)律變化(零電壓ZVS下導(dǎo)通)，當(dāng)電壓為零時期間開通實現(xiàn)開關(guān)損耗為零。從而可以調(diào)高開關(guān)頻率，實現(xiàn)高密度、高效率和小體積的恒頻軟開關(guān)，大幅度減少開關(guān)損耗，技術(shù)指標(biāo)，如表1所示。

表1 技術(shù)指標(biāo)

2 電路參數(shù)設(shè)計

2.1 ZVS軟開關(guān)電源

獨立ZVS軟開關(guān)電源電源采用全橋移相ZVS軟開關(guān)技術(shù)，使用UNITRODE公司的UC1875芯片作為移相式準(zhǔn)諧振變換控制核心,在移相控制的基礎(chǔ)上應(yīng)用諧振的原理，以及四個開關(guān)管并聯(lián)電容和輸出變壓器的漏感作為諧振元件，使得四個開關(guān)管依次按正弦或準(zhǔn)正弦規(guī)律變化(零電壓ZVS下導(dǎo)通)，當(dāng)電壓為零時期間開通實現(xiàn)開關(guān)損耗為零，如圖2所示。

圖2 ZVS軟開關(guān)電源的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

圖3 移相全橋ZVS軟開關(guān)電源功能框圖

如圖3所示為獨立ZVS軟開關(guān)電源的功能圖，UC1875控制芯片由軟啟動電路的+15 V供電，輸出2組(4路)PWM信號，A、B路相位差180°，C、D路相位差180°，分別控制著全橋ZVS變換電路的4組開關(guān)器件(前2組為超前臂，后2組為滯后臂)；保護電路進行電壓電流采集與運算形成保護信號對 UC1875控制芯片進行實時監(jiān)控，一旦發(fā)生過壓過流情況便關(guān)閉芯片輸出；移相全橋ZVS變換電路接收到來自全橋驅(qū)動電路輸出的驅(qū)動信號后，其內(nèi)部并聯(lián)電容和變壓器的漏電感作為諧振元件使四個開關(guān)器件依次在零電壓下導(dǎo)通。根據(jù)開通延時和關(guān)斷不延時原則，開關(guān)器件的驅(qū)動信號由PWM控制芯片加入了死區(qū)時間。超前臂與滯后臂之間的驅(qū)動信號存在移相角α，通過調(diào)節(jié)α角的大小，可調(diào)節(jié)輸出電壓的大小，實現(xiàn)+48 V/100 W穩(wěn)壓控制輸出；多路DCDC模塊將+ 48 V穩(wěn)定直流電轉(zhuǎn)換為多路±15 V，+5 V穩(wěn)定直流電輸送向隨鉆儀器的傳感器或其他模塊供電；數(shù)據(jù)采集和處理電路實現(xiàn)包含8位單片機處理單元，可對電源系統(tǒng)的輸入輸出電壓或電流信號等參數(shù)信息進行采集和監(jiān)控，實現(xiàn)電源系統(tǒng)的智能化監(jiān)控。

2.2 并聯(lián)均流的實現(xiàn)

根據(jù)圖1所示，每個獨立ZVS移相全橋開關(guān)電源通過低帶寬總線(V+，S+，S-，V-)連接到并聯(lián)均流控制電路中。并聯(lián)均流控制電路由PWM集成均流控制器、霍爾電流采集器以及外圍電路構(gòu)成。霍爾電流采集器計算出每個移相全橋開關(guān)電源的輸出電流，以輸出流最大的電源電源為主電源，而以其余的電源為從電源。PWM集成均流控制器采用UNITRODE公司的UC1907集成均流控制芯片。UC1907由電壓環(huán)、電流環(huán)和均流環(huán)組成，電壓環(huán)中驅(qū)動放大器的輸出端通過外接光耦電路與獨立ZVS移相全橋開關(guān)電源的S+，S-相連接。電流環(huán)中包括低損耗、固定增益電流放大器、緩沖放大器和調(diào)整放大器，用以產(chǎn)生調(diào)整基準(zhǔn)電壓的信號。根據(jù)主電源均流母線的電壓，調(diào)整其他從電源的PWM集成均流控制器中誤差電壓放大器的基準(zhǔn)電壓，誤差電壓經(jīng)過放大后，經(jīng)過S+和S-反饋到各ZVS移相全橋開關(guān)電源改變其輸出電壓(V+和V-)以調(diào)整輸出電流，使各電源的輸出電流平衡。

2.3 電路的高導(dǎo)熱工藝

每個獨立ZVS軟開關(guān)電源采用鋁基導(dǎo)熱工藝，PCB從上到下分別為電路層(銅箔)、絕緣層和鋁基層，功率器件貼裝在電路層，器件運行時所產(chǎn)生的熱量通過絕緣層快速傳導(dǎo)到鋁基層，然后由鋁基層將熱量傳遞出去，與傳統(tǒng)的FR-4板比，鋁基板能夠?qū)嶙杞抵磷畹?，使鋁基板具有極好的熱傳導(dǎo)性能。

3 實驗結(jié)果

為了驗證電源功率輸出、效率以及并聯(lián)均流能力，電源系統(tǒng)輸入級接入100 V～300 V直流電壓，輸出級接上300 W功率負(fù)載，并將三塊萬用表分別串聯(lián)至三路ZVS電源的輸出母線上，觀察三個電流輸出。

圖4 并聯(lián)均流試驗

如圖4所示經(jīng)試驗測得，在不同輸入電壓范圍內(nèi)，三路電源的電能效率保持在89%以上，每路電流輸出始終保持4.8%以內(nèi)的誤差，總電源系統(tǒng)效率達到85%。

4 結(jié)束語

本文設(shè)計所述的井下可組合式的并聯(lián)均流通用電源系統(tǒng)采用通用模塊化的設(shè)計思路，電源模塊可根據(jù)功率需求任意進行組合，以移相全橋ZVS軟開關(guān)技術(shù)實現(xiàn)獨立電源的低損耗、高效率等特點；以并聯(lián)均流技術(shù)實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)多個電源模塊的電流的平均分配，提高總電源系統(tǒng)的功率輸出、減輕了總電源系統(tǒng)的負(fù)擔(dān)、具備高效率、耐高溫、高可靠等優(yōu)異特點可廣泛應(yīng)用在旋轉(zhuǎn)導(dǎo)向、垂直鉆井、連續(xù)管鉆井等多種石油鉆井工具或井下隨鉆測量設(shè)備中。并且其可選擇的功率組合方式和簡易的安裝方法，不僅在石油鉆井領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，同時在交通運輸、航空航天和水下也能創(chuàng)造巨大的經(jīng)濟和社會效益。

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The Combined Parallel Balanced Current Power Supply

XIE qing BAI yuxin LUO xiang CHENG zhaojiang

(BeijingResearchInstituteofPreciseMechanicalandElectronicControlEquipment,Beijing100076,China)

According to the the power supply for the downhole equipment in high temperature environment ,this article introduces a technique of parallel balanced current in SMPS,which parallel each SMPS and average distribution of each output current,reduce the total power system load,improve the power output and increased reliability.

parallel，balanced，current，switching mode power supply，soft switching power supply

國家科技重大專項課題，項目編號5021-001。

解 慶，男，1984年生，碩士研究生，工程師，2009年畢業(yè)于四川工業(yè)學(xué)院機械電子，現(xiàn)在北京精密機電控制設(shè)備研究所從事技術(shù)研發(fā)工作。E-mail：xqyefeng@163.com

TE271

A

2096-0077(2015)02-0079-03

2014-07-31 編輯：韓德林)