一种井下DC―DC开关电源的研制

摘 要：针对井下智能钻井工具中涡轮发电机输出电压波动大，导致电机运行不平稳问题，设计了井下DC-DC开关电源，为井下电机提供稳定电压。相对于传统的BUCK DC-DC开关电源，该开关电源在主电路及辅助电源电路的设计上做了相关改进，给出了相关设计公式，完成了开关电源原理电路的设计，研制了样机并进行了性能测试；测试结果表明，该开关电源电路结构简单，稳压范围宽，频率响应快，输出电压稳定，能够在高温高压强振的工作环境中正常工作。

关键词： 开关电源；井下电机；PWM；UC1525A

中图分类号：F407.61 文献标识码：A

井下智能钻井工具一般采用涡轮发电机作为电源，驱动井下电机控制执行机构工作，实现井下闭环控制。涡轮发电机输出的直流电压受泥浆脉冲影响，波动大，未经过开关稳压，导致电动机供电电压不稳定，在低速运行时不平稳，限制了电动机的低速性能，影响井下智能钻井工具正常工作。为此，设计了一种井下DC-DC开关电源，为井下电机提供稳定直流电压，确保电机在低速状态下平稳运行，进而提高井下智能钻井工具工作的可靠性及稳定性。

1 总体设计方案

1.1 总体电路设计

DC-DC电源工作在井下高温高压环境中，且靠近发电机及力矩电机震动源。在这种环境温度下，常规半导体电子器件及其组成的电路将难以可靠工作。本设计中输入电压高于输出电压，为尽可能减少所用器件以降低高温情况下因单个器件不稳定导致平均工作寿命减少的情况发生，对比其他电路结构及功率输出情况后，采用BUCK结构电路。开关频率定为3kHz，输入直流电压范围：90-220V，输出电压：48V±2V，输出电流：10A±2A，最大功；500W，最大外径：100mm，工作温度：125℃。

1.2 主电路设计

主电路中，输出滤波电感采用铁硅吕磁环，以适应井下振动环境，电感按临界模式计算，为：

式中Vo为输出电压，Dmin为占空比最小值，Iomin为输出电流最小值，T为周期。

单个电感采用五个77191A7铁硅铝磁环叠加共绕，采用了多个磁环叠加绕制后并联使用。

输出端滤波电容最小值满足：

PWM控制电路核心部分采用了TI公司的UC1525A控制器，该控制器工作温度可到125℃，满足井下工作环境对器件的要求，输出级为两路图腾柱式输出，最大驱动电流200mA。

开关MOS管的源极是悬浮的，为形成相对的驱动电压Ugs，采用变压器隔离驱动，开关管采用MOSEFT，驱动功率相对较小，为加速MOSEFT快速导通和截止，减少开关损耗，输出端加入耦合电容和PNP型三极管。为防止由于变压器漏感带来的尖峰电压击穿MOSFET，采用钳位二极管。

考虑到井下高温强振的工作环境，高频变压器采用德国VAC公司超微晶磁材料VITROPERM 500F（居里温度为600℃），VAC公司的超微晶材料VITROPERM 500F用作开关电源功率变压器，铁损低，饱和磁通密度、磁导率高，可以抵抗强振动应力。

通过以上设计与计算，得到主电路电路设计图如图1所示。

1.3 单端正激式辅助电源设计

为保证主电路PWM控制器稳定工作，引入辅助电源，为开关管驱动电路及两个PWM控制器UC1525A供电。设计参数12V/400mA，即该电路可实现输入60～200VDC，输出12V/400mA。由于主电路采用的是BUCK非隔离结构，辅助电源设计时为简化电路采用非隔离式，如图2所示。

辅助电源中，考虑涡轮发电机整流后的电压容易超出三极管极限参数，为保证稳定，自启动电路设计采用两个三极管串联使用， Rb1，Rb2 ，Rc1为限流电阻。C13上的电压给辅助电源上的PWM控制器提供启动时间，随后当变压器输出端有稳定电压时，将由输出端提供能量。为防止输出端负载对充电回路的影响，加入二极管D14。采用该种方法设计可以减少限流电阻上的损耗，保证辅助电源稳定启动，为主电路PWM控制器提供相对稳定的电源做好铺垫。

单端正激式变压器磁芯材料采用德国VAC公司的超微晶材料磁环W373，由于辅助电源功率较小，故开关频率可以取得稍大，开关电源频率为50KHz。

整流滤波电路设计同BUCK结构设计类似。控制器同样采用TI公司的UC1525A，与BUCK结构设计方法相同。

1.4 开关电源热设计

本文所设计的开关电源在井下高温强振环境中工作，必须将发热器件产生的热量尽快发散出去，使温升控制在允许的范围之内，以保证可靠性。考虑工作环境特点，本设计采用散热片为开关电源散热。

MOS管采用IRFP460A，为尽可能好的散热，将功率管固定于散热片上，功率管和散热片之间加入导热系数好的散热硅脂。

2 开关电源性能测试

为确保所设计的开关电源能够满足系统性能需求，在实验室对样机进行性能测试。

2.1 开关电源基本功能测试

由于前端电压波动较大，为更好地看到效率与输出功率及输入电压波动情况，采用取样分别测量整流后电压70V、100V、145V、195V时效率随输出功率变化情况。测量输出功率时用直流档，测量整流前端输入功率时用有效值档，结果如表1所示。

2.2 开关电源可靠性测试

满额功率输出时，温度达到动态平衡时开关管最大温升约为15℃（采用点温仪测试）。电压及纹波参数均未出现异常现象，常温特性比较好。电源性能良好，输出电压误差小于1V。经过近800次开关通断电，电路工作状况未发生问题，电路输出电压不受影响。

长时间工作于150℃时，电路板及开关器件均正常，随着负载功率上升，输出电压有下降趋势。

3 结论

3.1 应用于钻井井下的开关电源，其主电路拓扑形式选用BUCK电路，所用电子器件少，结构形式简单，能够满足井下狭小空间对于工具尺寸的要求。

3.2 开关电源控制环路设计过程中需建立开关电源完整的小信号数学模型，并对其进行开环小信号分析，确保其稳定性。

3.3 主电路与辅助电路设计中对输出滤波参数的计算一方面采用理论计算，一方面采用经验值并考虑温度等特性，器件选型上有一定余量，保证其稳定工作。

3.4 在高温条件下，需要考察开关电源功率器件散热量和环境温度的平衡温度点以及功率器件在电源舱不同位置时的温升平衡点，确定功率器件最佳散热位置布局，实现开关电源温升最小化。

参考文献

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