CN104242615A - 一种高温隔离电源装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高温隔离电源装置，包括启动电路模块、PWM控制模块、驱动模块、反激输出模块、误差放大模块和光耦隔离模块；启动电路模块为PWM控制模块提供启动电压，PWM控制模块输出可控占空比至驱动模块，驱动模块调整占空比，驱动反激输出模块的开关管，反激输出模块的输出是为井下电机供电的稳定直流电压，直流输出电压经误差放大模块和光耦反馈模块处理后，传送至PWM控制模块，形成一个闭合回路，保证整个电源装置稳定运行。本发明采用基于高温PWM控制芯片来设计中等功率高动态宽输入隔离电源，通过光耦隔离芯片实现隔离，突破了传统变压器隔离方式，简化了驱动电路。

Description

一种高温隔离电源装置

技术领域

本发明涉及一种高温隔离电源装置，属于旋转导向***井下供电技术领域。

背景技术

由于钻井多为户外，旋转导向***常常需要工作在井下几千米的深井中，控制***供电多利用井下涡轮发电机给***供电，以节约能源和实现闭环控制。由于涡轮发电机所发出的电为交流电，不能直接供给于控制电路，故需要进行转换，多采用开关电源以提供控制***所需的稳定供电。

高温隔离电源的核心在于宽输入下电压的稳定。国外有许多公司专业生产DC/DC模块，技术相对成熟。GAIA公司新推出HTPS-15系列高温DC/DC电源模块，输入电压DC150V-300V，此模块是专为测井仪器及设备提供能够连续长期在高温环境下工作的变换器。具有耐高温、高精度、高稳定性及高可靠性等优点；PGDS50系列符合MIL-STD-704标准的瞬态/尖峰抑制模块，此模块可以接受最低输入电压至6V，可承受输入电压到60V～80V。

国内耐高温DC/DC模块功率相对都很小，由此可见大功率耐高温DC/DC电源设计相对较难，国外钻井技术发展比较先进，但是由于其对外实施技术封锁，我国钻井用电源技术发展较为缓慢，打破垄断是当务之急。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提出了一种高温隔离电源装置，对三相发电机整流滤波输出的电压进行稳压设计，实现36v、100w的AC/DC转换输出，并要保证隔离。

一种高温隔离电源装置，包括启动电路模块、PWM控制模块、驱动模块、反激输出模块、误差放大模块和光耦隔离模块；

启动电路模块为PWM控制模块提供启动电压，PWM控制模块输出可控占空比至驱动模块，驱动模块调整占空比，驱动反激输出模块的开关管，反激输出模块的输出是为井下电机供电的稳定直流电压，直流输出电压经误差放大模块和光耦反馈模块处理后，传送至PWM控制模块，形成一个闭合回路，保证整个电源装置稳定运行。

本发明的优点在于：

(1)本发明采用基于高温PWM控制芯片来设计中等功率高动态宽输入隔离电源，通过光耦隔离芯片实现隔离，突破了传统变压器隔离方式，简化了驱动电路；

(2)结构简单，体积小；

(3)成本低，效率高；

(4)输出电压稳定，高精度；

附图说明

图1是旋转导向井下***电源模块框图；

图2是36v电源的启动电路示意图；

图3是驱动电路示意图；

图4是反激输出拓扑示意图；

图5是误差放大与光耦隔离电路示意图；

图中：

1、启动电路模块             2、PWM控制模块           3、驱动模块

4、反激输出模块             5、误差放大模块          6、光耦隔离模块

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

旋转导向井下***中的电源供给来自涡轮三相发电机，经过三相全波整流滤波后的电压在50v-150v之间波动，经过本发明装置AC/DC开关电源模块后转换成36v直流电压。此后，该电压一部分经电源管理模块转换为±5v、±12v、±15v多路电压，为电机控制***供电；另一部分直接驱动IPM模块，凭借电机控制***控制IPM以实现控制电机转速及定位。AC/DC模块的电压输出波动直接影响控制精度和稳定性。

具体的，本发明是一种高温隔离电源装置，如图1所示，包括启动电路模块1、PWM控制模块2、驱动模块3、反激输出模块4、误差放大模块5和光耦隔离模块6。

启动电路模块1为PWM控制模块2提供启动电压，PWM控制模块2输出可控占空比至驱动模块3，驱动模块3调整占空比，驱动反激输出模块4的开关管，反激输出模块4的输出是为井下电机供电的稳定直流电压，直流输出电压经误差放大模块5和光耦反馈模块6处理后，传送至PWM控制模块2，形成一个闭合回路，保证整个电源装置稳定运行。

启动电路模块1结构如图2所示，启动电路模块1是为PWM控制模块2供电而设计，主要包括稳压二极管、结型场效应管、两个电阻、电容和正向二极管，电容耐压值为50v，输入电压连接两个电阻，两个电阻的另一端分别接结型场效应管的栅极和漏极，同时，结型场效应管的栅极连接一个稳压二极管，稳压二极管的正向端接地，结型场效应管的源极接一个正向二极管的正极，二极管的负极接一个电容，PWM控制电路2核心部分采用的是高温PWM控制器，为保证PWM控制电路2启动，设计启动电路模块1。当电源装置能稳定输出后，将由辅助电源提供驱动以及PWM控制电路2的供电，启动电路模块1进入截止状态，减小功耗。

PWM控制模块2是本装置的核心，开关电源的关键在于驱动开关管的PWM(脉冲宽度调制波形，PWM控制模块2包括PWM控制器以及其***配置电路，其***配置电路包括RC电路、负反馈电阻网络。

PWM控制器的反馈引脚接光耦隔离模块6的输出端，PWM控制器的输出接驱动模块3的输入端，输出PWM信号。

所选的PWM控制器是CHT-MAGMA，其内置基准电压源，反馈电压与片内参考基准电压比较，形成门限判决电平，脉宽控制采用三角波比较法。反馈电压影响占空比，通过调节占空比来稳定输出。

反激输出模块4中所用的开关管是常断型碳化硅JFET。需设计驱动电路驱动开关管。

驱动模块3如图3所示，包括升压电路、两级放大电路和推挽电路。

两级放大电路、推挽电路的组成即包括四个三极管以及其配置电路

升压电路包括两个电阻、电容以及二极管，输入的PWM信号连接至第一个电阻，第一个电阻另一端分别连接第二个电阻和二极管的负向端，第二个电阻的另一端连接至两级放大电路，二极管的正向端连接稳压二极管的负向端，稳压二极管的压降为2v，同时，稳压二极管的负向端还连接一个电阻和一个电容，电容与稳压二极管并联，电阻的另一端连接8v的电压源。

驱动模块3的输入是PWM控制模块2输出的PWM，经过驱动模块3的两级放大电路，再至推挽电路输出到反激输出模块4的输入端。

两级放大电路包括两个三极管，两个三极管采用共射连接，推挽电路包括两个三极管，采用NPN和PNP的三极管对称连接。这样既增大了驱动电流，也改善了开关管的误操作，保证开关管完全工作在饱和区或者截止区，从而降低了交流开关损耗。

反激输出模块4如图4所示，反激输出模块4包括反激变压器、开关管、输出电容、二极管；

反激变压器绕组比例是1:1，磁芯采用的是铁硅铝材质的磁芯77190，开关管的栅极接驱动模块3的输出，开关管的漏极接反激变压器的初始线圈，源极接地，反激变压器的副边线圈的同名端连接至二极管的正极，二极管的负向端是输出端点，同时也连接输出电容和输出负载。反激变压器的副边线圈的异名端接输出电容和输出负载的另一公共端，输出电容的正向端连接误差放大模块5的输入端。

反激拓扑的优点是不需要次级输出电感，也不需要复位绕组，在体积和成本上有明显优势。开关管导通时，反激变压器存储能量，负载电流仅由输出滤波电容提供，开关管关断时，反激变压器储存的能量传送到负载以及对电容充电。

由于井下涡轮发电机的电压波动较大，后端电路耐压能力有限，其次，地线也会对输出电压的稳定度有较大影响，需对输出进行电气隔离。隔离电路一般有变压器隔离和光耦隔离，变压器隔离需对次级输出的信号进行调理，考虑电路的简化，本发明采用光耦隔离模块6，光耦隔离模块6如图5所示，包括光耦隔离芯片、电阻、稳压二极管、运算放大器。

反激输出模块4的输出电压连接至两个电阻的公共端，其中一个电阻的另一端接一个稳压二极管，稳压二极管的负向端同时连接至运算放大器的负向端，另一个电阻的另一端连接至一个电阻，这个电阻与稳压二极管的正向端共同连接置地线，运算放大器的正向端连接至接地电阻的另一端。同时，运算放大器的输出端连接至运算放大器的负向端。运算放大器的输出接至光耦隔离芯片输入端的正向端，光耦隔离芯片输入端的负向端接地。光耦隔离芯片的输出端接至PWM控制模块2。

其中，光耦隔离芯片的输入端接的是误差放大模块5的输出，光耦隔离芯片的输出端接的是PWM控制模块2的输入端。

针对光耦隔离器件的线性温漂特性，设计了前端误差放大模块5，误差放大模块5包括稳压二极管、高精度电阻和运放电路，运放电路采用负反馈方式连接。反激输出模块4的输出经过电阻分压，与稳压二极管的电压进行差分放大送至运放电路，运放的输出接至光耦隔离模块6的光耦隔离芯片。输出电压的采样信号经放大器差分放大，放大了输出电压的变化，从而减小温漂影响。

本发明的高温隔离电源装置在旋转导向装置中有普遍的应用，旋转导向装置中电机驱动模块、数据采集模块、数据处理模块等模块的供电采用的均为本发明的电源装置。隔离具体做法是涡轮发电机的供电、驱动电路、PWM控制模块共地，输出模块为浮地，通过强电弱电隔离，保证输出稳定和安全。

反激变压器的导线尺寸根据单股导线的最大截面积的集肤效应来选择，可通过多股并饶来减小漏感，确保初级绕组到次级绕组有较高的能量传送比例，同时，也可以减小开关管漏极电压的尖峰干扰。

工作过程：

涡轮电机提供的电压作为反激拓扑的输入，驱动电路的PWM控制开关管导通关断，使变压器存储的能量传递到负载以及输出电容上，输出电压取比例经误差放大模块5、光耦隔离模块6传递到PWM控制模块2，调节PWM控制模块2的输出，PWM控制模块2的输出接驱动模块3，驱动电路接开关管。由此可见，从涡轮发电机作为输入，到稳压输出，然后反馈回PWM控制模块2，经驱动模块3，反激输出模块4，构成了一个完整的闭合体系。如图1所示。通过利用井下涡轮发动机的电压自给自足给井下电机控制***、数据采集处理***以及通信***等部分提供稳定的电压，电源管理模块根据各模块的不同需求再转化成相应的电压，实现了旋转导向***井下高温复杂环境稳定供电，保证了***可靠地工作。

Claims (6)

1.一种高温隔离电源装置，包括启动电路模块、PWM控制模块、驱动模块、反激输出模块、误差放大模块和光耦隔离模块；

启动电路模块为PWM控制模块提供启动电压，PWM控制模块输出可控占空比至驱动模块，驱动模块调整占空比，驱动反激输出模块的开关管，反激输出模块的输出是为井下电机供电的稳定直流电压，直流输出电压经误差放大模块和光耦反馈模块处理后，传送至PWM控制模块，形成一个闭合回路，保证整个电源装置稳定运行。

2.根据权利要求1所述的一种高温隔离电源装置，所述的启动电路模块包括稳压二极管、结型场效应管、两个电阻、电容和正向二极管；

输入电压连接两个电阻，两个电阻的另一端分别接结型场效应管的栅极和漏极，结型场效应管的栅极连接稳压二极管，稳压二极管的正向端接地，结型场效应管的源极接正向二极管的正极，二极管的负极接电容，当电源装置稳定输出后，由辅助电源提供驱动以及PWM控制电路的供电，启动电路模块进入截止状态。

3.根据权利要求1所述的一种高温隔离电源装置，所述的PWM控制模块包括PWM控制器以及其***配置电路，其***配置电路包括RC电路、负反馈电阻网络；PWM控制器的反馈引脚接光耦隔离模块的输出端，PWM控制器的输出接驱动模块的输入端，输出PWM信号。

4.根据权利要求1所述的一种高温隔离电源装置，所述的驱动模块包括升压电路、两级放大电路和推挽电路；

升压电路包括两个电阻、电容以及二极管，输入的PWM信号连接至第一个电阻，第一个电阻另一端分别连接第二个电阻和二极管的负向端，第二个电阻的另一端连接至两级放大电路，二极管的正向端连接稳压二极管的负向端，稳压二极管的负向端还连接一个电阻和一个电容，电容与稳压二极管并联，电阻的另一端连接电压源；两级放大电路包括两个三极管，两个三极管采用共射连接，推挽电路包括两个三极管，采用NPN和PNP的三极管对称连接；两级放大电路、推挽电路还分别设有配置电路；驱动模块的输入是PWM控制模块输出的PWM，经过驱动模块的两级放大电路，再至推挽电路输出到反激输出模块的输入端。

5.根据权利要求1所述的一种高温隔离电源装置，所述的反激输出模块包括反激变压器、开关管、输出电容、二极管；

反激变压器绕组比例是1:1，磁芯采用的是铁硅铝材质，开关管的栅极接驱动模块的输出，开关管的漏极接反激变压器的初始线圈，源极接地，反激变压器的副边线圈的同名端连接至二极管的正极，二极管的负向端是输出端点，同时也连接输出电容和输出负载；反激变压器的副边线圈的异名端接输出电容和输出负载的另一公共端，输出电容的正向端连接误差放大模块的输入端。

6.根据权利要求1所述的一种高温隔离电源装置，所述的光耦隔离模块包括光耦隔离芯片、电阻、稳压二极管、运算放大器；

反激输出模块的输出电压连接至两个电阻的公共端，其中一个电阻的另一端接稳压二极管，稳压二极管的负向端同时连接至运算放大器的负向端，另一个电阻的另一端连接至一个电阻，这个电阻与稳压二极管的正向端共同连接置地线，运算放大器的正向端连接至接地电阻的另一端；同时，运算放大器的输出端连接至运算放大器的负向端；运算放大器的输出接至光耦隔离芯片输入端的正向端，光耦隔离芯片输入端的负向端接地；光耦隔离芯片的输出端接至PWM控制模块；

光耦隔离芯片的输入端接的是误差放大模块的输出，光耦隔离芯片的输出端接的是PWM控制模块的输入端。