郭鵬軍，尹思淇，袁 瑛，景曉鵑，史 秦

（西安石油大學(xué)電子工程學(xué)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(wěn)壓電源，井下電源來源于鉆井液驅(qū)動(dòng)的渦輪電機(jī)，由于鉆進(jìn)過程中流量不穩(wěn)導(dǎo)致井下電壓浮動(dòng)較大故井下直流電源應(yīng)具有高溫和寬范圍輸入的適應(yīng)性。為保證井下直流電源具有更高的適應(yīng)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(guān)電源，用PWM控制電路從而實(shí)現(xiàn)寬輸入高溫直流電源的設(shè)計(jì)。

2 工作原理

由于設(shè)計(jì)要求的最高輸入電壓為72V，要想得到最終輸出12V的結(jié)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(wěn)壓到所要求的±12V輸出，電路設(shè)計(jì)難度大，實(shí)現(xiàn)困難。該直流穩(wěn)壓電源采用二級(jí)穩(wěn)壓方法，即在前端粗調(diào)將電機(jī)輸出的交流電調(diào)控到輸出電壓附近，再采用DC-DC穩(wěn)壓模塊和濾波電路進(jìn)行細(xì)調(diào)。二級(jí)穩(wěn)壓的直流穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)如下：首先通過整流將交流電壓變換為直流電壓，進(jìn)行一級(jí)濾波，采用斬波型穩(wěn)壓方式以改變開關(guān)電路的占空比得到單向脈動(dòng)直流，將12V～72V輸入調(diào)到較窄的范圍，進(jìn)行前端粗調(diào)，再采用DC-DC模塊的設(shè)計(jì)思路。前端設(shè)計(jì)原理框圖如圖1所示。

圖1 前端設(shè)計(jì)原理框圖

3 高溫穩(wěn)壓電源的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電源包括三大部分：第一、整流部分，利用整流橋進(jìn)行整流，將變壓器次級(jí)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(wěn)壓部分，利用TL431、SG3525、CD4069以及MOSFET等器件組成的PMW開關(guān)電源的穩(wěn)壓電路部分；第四、采用DC-DC穩(wěn)壓模塊進(jìn)行二次穩(wěn)壓及濾波部分。具體電路結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 電路結(jié)構(gòu)框圖

當(dāng)輸入電壓為12V～72V（6*左右）交流輸入時(shí)，先整流成直流電壓信號(hào)，然后經(jīng)檢測電路降壓處理，在經(jīng)過控制運(yùn)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(dǎo)致輸入占空比增大時(shí)相應(yīng)的輸出電壓的占空比減小。

3.1 整流電路設(shè)計(jì)

整流電路選用全橋整流電路，由于整流后的波形會(huì)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(shè)計(jì)

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(hào)處理及PWM控制電路設(shè)計(jì)

選用SG3525直接驅(qū)動(dòng)MOSFET的電路，由于電路輸出時(shí)占空比只能最高達(dá)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(dá)到100%的電路。

電源信號(hào)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(jìn)行控制PWM的占空比但SG3525的輸入電壓為1V～3V，由互感比例計(jì)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(gè)運(yùn)放電路，使其放大倍數(shù)為0.4倍。

因?yàn)橐玫脚c輸入電壓成反比的PWM對(duì)MOSFET進(jìn)行PWM開關(guān)控制，即輸入電壓增大時(shí)相應(yīng)的輸出信號(hào)的占空比減小，所以采用CD4069實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的反相運(yùn)算處理得到OUT4對(duì)MOSFET進(jìn)行直接驅(qū)動(dòng)，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(wěn)壓電路設(shè)計(jì)

LM2596S能夠輸出3A的驅(qū)動(dòng)電流，同時(shí)具有很好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性?？烧{(diào)節(jié)輸出小于37V的各種電壓，DC-DC穩(wěn)壓模塊選用LM2596S穩(wěn)壓芯片搭建的可調(diào)降壓穩(wěn)壓電路，后續(xù)加以多級(jí)濾波電路減小紋波。經(jīng)MOS開關(guān)控制后的粗調(diào)電壓接入DC-DC穩(wěn)壓電路進(jìn)行二次穩(wěn)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(wěn)壓電路圖

4 研究結(jié)果及結(jié)論測量

在正常室溫的環(huán)境下，用萬用表測量各個(gè)節(jié)點(diǎn)電壓，并將整個(gè)設(shè)備放入50℃和80℃環(huán)境下，測得穩(wěn)壓后的輸出電壓列表如表1所示。

表1

由測試可知，當(dāng)測量端的電壓增大時(shí)，MOSFET的開關(guān)幅度減小，滿足設(shè)計(jì)要求。當(dāng)輸入電壓變化時(shí)，MOEFET開關(guān)處的占空比相應(yīng)變化，從而改變了輸出的有效值，而所需的是負(fù)載兩端的平均值，后續(xù)經(jīng)DC-DC穩(wěn)壓模塊穩(wěn)壓后輸出電壓基本維持在12V在加熱的環(huán)境下仍然穩(wěn)定在12V附近結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求。