CN105162331A - 一种基于并联均流技术的开关电源电路 - Google Patents
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Abstract
一种基于并联均流技术的开关电源电路。其包括三相整流滤波电路和多个并联的稳压电源；三相整流滤波电路包括三相全桥整流电路和电容滤波电路，与泥浆涡轮发电机相连接；稳压电源包括反激式变压器、高频整流滤波电路、采样反馈电路、PWM控制电路和均流电路。本发明提供的基于并联均流技术的开关电源电路的效果：可应用于采用电子控制单元的智能钻井工具的供电系统中，根据负载需求，提供稳定的直流电能，解决了单块开关电源电路输出功率较低，难以满足大功率负载需求的不足，以及多块开关电源电路并联运行负载不均衡的问题，增强了智能钻井工具携带负载的能力，提高了运行时的稳定性和使用寿命。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于智能钻井工具的井下电源电路，特别是涉及一种基于并联均流技术的反激式开关电源电路，属于石油天然气钻井领域。
背景技术
电源是电子设备的心脏，其质量好坏直接影响着电子设备的可靠性能，而且设备故障的60％都与电源有着直接的关系。现在电子产品使用的电源大致分为线性稳压电源和开关稳压电源，线性稳压电源的功率器件工作在放大区，缺点是变换效率低，一般只有30％-60％，开关稳压电源的功率器件工作在开关状态，变换效率可达70％-95％。
根据负载对供电可靠性要求不同，开关稳压电源有三种运行工作模式：集中式单机运行模式，此种方式只有一个电源给负载供电；并联运行模式，此种方式利用多台电源并联给负载供电，每个电源平均承载负载功率；并联冗余运行模式，采用多台稳压模块并联给负载供电，另有n台并联电源作为后备电源，当前工作模块出现故障时，后备模块即可投入运行。集中式单机运行模式结构简单，成本低，但可靠性差；并联运行模式和并联冗余运行模式可靠性较高，但成本也较高。并联运行是电源技术的发展方向之一，也是实现组合大功率电源系统的关键。
采用泥浆涡轮发电机进行供电的智能钻井工具，具有钻井液流量波动大、泥浆涡轮发电机产生的交流电压波动范围宽以及用电负载功率较大等特点，采用反激式开关电源技术可获得稳定的直流电能输出，但单块稳压电源仅能获得50W左右的电能输出，无法满足大功率用电负载的需求，因此基于并联均流技术，根据智能钻井工具电子控制单元需求，将多块反激式开关稳压电源并联起来，获得较大的输出功率，增强智能钻井工具携带负载的能力，提高工具井下工作时的稳定性和安全性，具有重要的理论意义和应用价值。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种基于并联均流技术的开关电源电路。
为了达到上述目的，本发明提供的基于并联均流技术的开关电源电路包括：三相整流滤波电路和多个并联的稳压电源；其其三相整流滤波电路包括三相全桥整流电路和电容滤波电路，与泥浆涡轮发电机相连接，用于将泥浆涡轮发电机产生的三相低频交流电能转换成粗直流电能，输出至各并联稳压电源；稳压电源的输出与电子控制单元连接；稳压电源包括反激式变压器、高频整流滤波电路、采样反馈电路、PWM控制电路和均流电路，其中：反激式变压器的输入端为并联的稳压电源的输入端，与三相整流滤波电路连接，反激式变压器的输出端与高频整流滤波电路的输入端连接，高频整流滤波电路的输出端为稳压电源的输出端，与电子控制单元连接，采样反馈电路的输入端与反激式变压器和高频整流滤波电路连接，采样反馈电路的输出端与PWM控制电路连接，均流电路的采样输入端与高频整流电路的输出回路连接，均流电路具有均流信号端，各并联的稳压电源中均流电路的均流信号端均通过均流母线LS相互连接，均流电路的输出端与采样反馈电路连接，PWM控制电路的输出端与反激式变压器连接。
所述的均流电路包括：第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第二电容C2、第三电容C3和均流芯片U1；其中：第八电阻R8的一端与高频整流滤波电路的输出端连接，另一端与电子控制单元310连接；第九电阻R9的一端与高频整流滤波电路的输出端连接，另一端与均流芯片U1的第二引脚连接；第十电阻R10的一端与电子控制单元连接，另一端与均流芯片U1的第一引脚连接；第十一电阻R11的一端与均流芯片U1的第五引脚连接，另一端与采样反馈电路13连接；第二电容C2的一端与均流芯片U1的第一引脚连接，另一端与均流芯片U1的第八引脚连接；第三电容C3的一端与均流芯片U1的第四引脚连接，另一端与均流芯片U1的第六引脚连接；均流芯片U1的第三引脚为电源端，与+5V电源连接，第四引脚为地线端，第七引脚为均流信号输入端，与均流母线LS连接。
所述的均流芯片U1采用UC29002D芯片。
所述的三相整流滤波电路包括由整流二极管D1-D6组成的三相全桥整流电路2101和第一至第四电解电容E1-E4组成的滤波电路；三相全桥整流电路的输入端与泥浆涡轮发电机的三相低频交流电能输出端U、V、W连接，三相全桥整流电路的输出端与滤波电路连接，在滤波电路中，第一电解电容E1与第二电解电容E2串联连接后，与第三电解电容E3和第四电解电容E4串联连接后再相互并联连接，用于滤除三相全桥整流电路输出直流电能中的纹波成分，滤波电路的输出电压记为Vin，其输出端与各并联的稳压电源连接。
所述的反激式变压器包括原边绕组、副边绕组、功率器件Q1及外围电路；三相整流滤波电路输出的粗直流电能Vrec输入反激式变压器的原边绕组，在功率器件Q1导通的时间内，反激式变压器将粗直流电能Vin转换成高频交流电能，存储在原边绕组中，在功率器件Q1关断的时间内，存储在原边绕组中的高频交流电能传递到副边绕组中，电容C1和二极管D7组成峰值保持电路，电阻R1为电容C1提供放电回路，反激式变压器的副边绕组为反激式变压器的输出端。
所述的高频整流滤波电路包括半波整流电路和电容滤波电路；半波整流电路的输入端为高频整流滤波电路的输入端，与反激式变压器的输出端连接，半波整流电路由二极管D8组成，用于在功率器件Q1关断的时间内对反激式变压器输出的高频交流电压进行半波整流，电容滤波电路由电容E5组成，用于滤除半波整流电路输出电压中的纹波成分；高频整流滤波电路的输出端与电子控制单元连接，二极管D9用于限制反向电压。
所述的采样反馈电路包括电流采样反馈电路和电压采样反馈电路，电流反馈采样电路由第四电阻R4采样功率器件Q1的源级电流，经第五电阻R5后与PWM控制电路中误差放大器的输出信号进行比较，电压采样反馈电路从高频整流滤波电路的电容滤波电路输出端采样，经第六电阻R6和第七电阻R7分压后与PWM控制电路中的参考电压进行比较，与电流反馈采样电路组成双环控制系统，用于调节PWM控制电路输出脉冲信号在一个周期内的占空比值。
本发明提供的基于并联均流技术的开关电源电路的效果：可应用于采用电子控制单元的智能钻井工具的供电系统中，根据负载需求，提供稳定的直流电能，解决了单块开关电源电路输出功率较低，难以满足大功率负载需求的不足，以及多块开关电源电路并联运行负载不均衡的问题，增强智能钻井工具携带负载的能力，提高工具井下工作时的稳定性、安全性和使用寿命。
附图说明
图1为本发明提供的基于并联均流技术的开关电源电路构成框图。
图2为本发明提供的基于并联均流技术的开关电源电路中并联均流电路图。
图3为本发明提供的基于并联均流技术的开关电源电路中三相整流滤波电路原理图。
图4为本发明提供的基于并联均流技术的开关电源电路中稳压电源一实施例电路原理图。
图5为本发明基于并联均流技术的开关电源电路一实施例的均流效果测试曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明提供的基于并联均流技术的开关电源电路进行详细说明。
本发明提供的基于并联均流技术的开关电源电路基于脉宽调制开关电源理论，将泥浆涡轮发电机产生的三相交流电能转换成稳定的直流电能输出，根据负载需求，采用并联运行模式，将多个稳压电源并联起来给负载供电，利用均流技术实现每个电源平均承载负载功率，用于智能钻井工具电子控制单元供电。
如图1所示，本发明提供的基于并联均流技术的开关电源电路包括：
三相整流滤波电路210和多个并联的稳压电源1；其中三相整流滤波电路210包括三相全桥整流电路和电容滤波电路，与泥浆涡轮发电机110相连接，用于将泥浆涡轮发电机110产生的三相低频交流电能转换成粗直流电能，输出至各并联稳压电源1；稳压电源1的输出与电子控制单元310连接；稳压电源1包括反激式变压器11、高频整流滤波电路12、采样反馈电路13、PWM控制电路15和均流电路14，其中：反激式变压器11的输入端为并联的稳压电源1的输入端，与三相整流滤波电路210连接，反激式变压器11的输出端与高频整流滤波电路12的输入端连接，高频整流滤波电路12的输出端为稳压电源1的输出端，与电子控制单元310连接，采样反馈电路13的输入端与反激式变压器11和高频整流滤波电路12连接，采样反馈电路13的输出端与PWM控制电路15连接，均流电路14的采样输入端与高频整流电路12的输出回路连接，均流电路14具有均流信号端，各并联的稳压电源1中均流电路14的均流信号端均通过均流母线LS相互连接，均流电路14的输出端与采样反馈电路13连接，PWM控制电路15的输出端与反激式变压器11连接。
反激式变压器11包括原边绕组、副边绕组和功率器件，在功率器件导通时间内原边绕组储能，在功率器件关断时间内将储存在原边绕组中的能量传递至副边绕组；高频整流滤波电路12包括半波整流电路和电容滤波电路，用于将反激式变压器11副边绕组输出的高频交流电能转换成稳定的直流电能输出；采样反馈电路13包括电压反馈电路和电流反馈电路，PWM控制电路15根据采样反馈电路13的采样值，调整脉冲波形在一个周期内的占空比值，从而控制功率器件在一个周期内导通与关断时间，达到稳定输出电压的目的，均流电路14通过采样各并联的稳压电源1的回路电流，对各并联的稳压电源1的输出电压进行调整，从而实现负载均衡的目的。
泥浆涡轮发电机110产生的三相交流电能经三相整流滤波电路210输出至多个并联的稳压电源1，稳压电源1的数量根据负载功率需求确定，各稳压电源1中的反激式变压器11接收三相整流滤波电路210输出的粗直流电能，将其转换为高频交流电能进行存储和传输，高频整流滤波电路12接收反激式变压器11输出的高频交流电能，将其转换为稳定的直流电能输出，采样反馈电路13对稳压电源1进行电压和电流采样，输出至PWM控制电路15中，均流电路14从稳压电源1的输出回路中采样，采用最大电流法进行负载均衡，多个稳压电源1通过均流母线LS连接，以均流母线LS上电流最大的稳压电源1的电流值作为基准电流，其它稳压电源1以它为基准调整各自的电流，均流电路14输出至采样反馈电路13，PWM控制电路15根据采样反馈电路13和均流电路14的输出调整反激式变压器11的能量传输比率，达到稳定输出电压的目的。
如图2所示，所述的均流电路14包括：第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第二电容C2、第三电容C3和均流芯片U1；其中：第八电阻R8的一端与高频整流滤波电路12的输出端连接，另一端与电子控制单元310连接；第九电阻R9的一端与高频整流滤波电路12的输出端连接，另一端与均流芯片U1的第二引脚连接；第十电阻R10的一端与电子控制单元310连接，另一端与均流芯片U1的第一引脚连接；第十一电阻R11的一端与均流芯片U1的第五引脚连接，另一端与采样反馈电路13连接；第二电容C2的一端与均流芯片U1的第一引脚连接，另一端与均流芯片U1的第八引脚连接；第三电容C3的一端与均流芯片U1的第四引脚连接，另一端与均流芯片U1的第六引脚连接；均流芯片U1的第三引脚为电源端，与+5V电源连接，第四引脚为地线端，第七引脚为均流信号输入端，与均流母线LS连接。
所述的均流芯片U1采用UC29002D芯片，第八电阻R8为采样电阻，用于对高频整流滤波电路12的输出回路进行电流采样，均流芯片U1的第一引脚CS-和第二引脚CS+为输入端，均流芯片U1的第一引脚CS-通过第十电阻R10与第八电阻R8的一端连接，均流芯片U1的第二引脚CS+通过第九电阻R9与第八电阻R8的另一端连接，均流芯片U1的第三引脚VDD为电源端，连接+5V直流电压，均流芯片U1的第四引脚GND为接地端，均流芯片U1的第五引脚ADJ为输出端，通过第十一电阻R11与采样反馈电路13中电压采样反馈电路132中的分压第六电阻R6连接，均流芯片U1的第六引脚EAO通过第三电容C3与地线连接，均流芯片U1的第七引脚LS为均流母线连接端，均流芯片U1的第八引脚CSO通过第十一电阻R11和第二电容C2与第一引脚CS-连接。从均流芯片U1的第一引脚CS-和第二引脚CS+输入的电压值在均流芯片U1内部进行差分放大，采用最大均流法进行负载均衡，各稳压电源1通过均流母线LS连接，均流母线LS上电流最大的稳压电源1的电流值作为基准电流，其它稳压电源1以它为基准调整各自的电流，调整电压由均流芯片U1的第六引脚ADJ输出，与采样反馈电路13一起输入PWM控制电路15中，用于调整PWM脉冲信号在一个周期内的占空比值，达到稳定输出电压的目的。
如图3所示，三相整流滤波电路210包括由整流二极管D1-D6组成的三相全桥整流电路2101和第一至第四电解电容E1-E4组成的滤波电路2102；三相全桥整流电路2101的输入端与泥浆涡轮发电机110的三相低频交流电能输出端U、V、W连接，三相全桥整流电路2101的输出端与滤波电路2102连接，在滤波电路2102中，第一电解电容E1与第二电解电容E2串联连接后，与第三电解电容E3和第四电解电容E4串联连接后再相互并联连接，用于滤除三相全桥整流电路2101输出直流电能中的纹波成分，滤波电路2102的输出电压记为Vin，其输出端与各并联的稳压电源1连接。
图4示出了本发明中稳压电源1的一实施例的电路原理图；如图4所示，反激式变压器11包括原边绕组111、副边绕组112、功率器件Q1及外围电路。三相整流滤波电路210输出的粗直流电能Vrec输入反激式变压器11的原边绕组111，在功率器件Q1导通的时间内，反激式变压器11将粗直流电能Vin转换成高频交流电能，存储在原边绕组111中，在功率器件Q1关断的时间内，存储在原边绕组111中的高频交流电能传递到副边绕组112中，电容C1和二极管D7组成峰值保持电路，电阻R1为电容C1提供放电回路，反激式变压器11的副边绕组112为反激式变压器11的输出端。
高频整流滤波电路12包括半波整流电路和电容滤波电路；半波整流电路的输入端为高频整流滤波电路12的输入端，与反激式变压器11的输出端连接，半波整流电路由二极管D8组成，用于在功率器件Q1关断的时间内对反激式变压器11输出的高频交流电压进行半波整流，电容滤波电路由电容E5组成，用于滤除半波整流电路输出电压中的纹波成分；高频整流滤波电路12的输出端与电子控制单元310连接，二极管D9用于限制反向电压。
采样反馈电路13包括电流采样反馈电路131和电压采样反馈电路132，电流反馈采样电路131由第四电阻R4采样功率器件Q1的源级电流，经第五电阻R5后与PWM控制电路15中误差放大器的输出信号进行比较，电压采样反馈电路132从高频整流滤波电路12的电容滤波电路输出端采样，经第六电阻R6和第七电阻R7分压后与PWM控制电路15中的参考电压进行比较，与电流反馈采样电路131组成双环控制系统，用于调节PWM控制电路15输出脉冲信号在一个周期内的占空比值。
所述的PWM控制电路15输出一定频率的脉冲波形，由第二电阻R2和第三电阻R3分压后输入功率器件Q1的基极，根据采样反馈电路13反馈值和均流电路14的输出电压，调整脉冲波形每个周期的占空比值，从而控制功率器件Q1的导通与关断时间，将整流滤波电路210输出的粗直流电能Vrec转换成高频交流电能，通过反激式变压器11的能量存储与传输，输出符合电子控制单元310功率需求的稳定直流电能Vout。
如图5所示为本发明一实施例的均流效果测试曲线图，试验条件为：采用4块稳压电源1并联的方式，泥浆涡轮发电机110转速4000rpm，稳压电源1的输出端连接恒流型电子负载，负载电流变化范围为0A-3A，图5(a)的横坐标为负载电流变化，纵坐标为各并联的稳压电源1的输出电流随着负载电流的增大的变化曲线，可见曲线1-4基本重合，均流效果良好；图5(b)的横坐标为各并联的稳压电源1的编号，纵坐标为各并联的稳压电源1的输出电流在不同负载电流下的均流曲线，可见各曲线基本保持水平，均流效果良好；图5(c)的横坐标为各并联的稳压电源1的编号，纵坐标为各并联的稳压电源1的输出电流在不同负载电流下的均流误差曲线，可见最大均流误差值为0.034A，均流效果良好，与图5(a)-图5(c)对应的测试数据如表1所示。
表1基于并联均流技术的开关电源电路均流效果测试
工作时，泥浆涡轮发电机110的转速范围为2500rpm至5500rpm，经整流滤波电路210后输出的粗直流电压Vrec范围为60V-160V，采用4块稳压电源并联的工作方式，单块稳压电源1输出的直流电压为36V，电流为1A，由均流电路14进行负载均衡，与采样反馈电路13共同控制PWM脉冲信号在一个周期内的占空比值，从而输出满足负载需求的稳定直流电能。
本发明提供的基于并联均流技术的开关电源电路针对采用泥浆涡轮发电机进行供电的智能钻井工具，具有钻井液流量波动大、产生的交流电压波动范围宽以及用电负载功率较大等特点，采用反激式开关电源技术可获得稳定的直流电能输出，但单块稳压电源仅能获得50W左右的电能输出，无法满足大功率用电负载的需求，基于并联均流技术，根据智能钻井工具电子控制单元需求，将多块反激式开关稳压电源并联起来，获得较大的输出功率，具有重要的理论意义和应用价值。
Claims (7)
1.一种基于并联均流技术的开关电源电路，其特征在于：所述的基于并联均流技术的开关电源电路包括：三相整流滤波电路(210)和多个并联的稳压电源(1)；其中三相整流滤波电路(210)包括三相全桥整流电路和电容滤波电路，与泥浆涡轮发电机(110)相连接，用于将泥浆涡轮发电机(110)产生的三相低频交流电能转换成粗直流电能，输出至各并联稳压电源(1)；稳压电源(1)的输出与电子控制单元(310)连接；稳压电源(1)包括反激式变压器(11)、高频整流滤波电路(12)、采样反馈电路(13)、PWM控制电路(15)和均流电路(14)，其中：反激式变压器(11)的输入端为并联的稳压电源(1)的输入端，与三相整流滤波电路(210)连接，反激式变压器(11)的输出端与高频整流滤波电路(12)的输入端连接，高频整流滤波电路(12)的输出端为稳压电源(1)的输出端，与电子控制单元(310)连接，采样反馈电路(13)的输入端与反激式变压器(11)和高频整流滤波电路(12)连接，采样反馈电路(13)的输出端与PWM控制电路(15)连接，均流电路(14)的采样输入端与高频整流电路(12)的输出回路连接，均流电路(14)具有均流信号端，各并联的稳压电源(1)中均流电路(14)的均流信号端均通过均流母线LS相互连接，均流电路(14)的输出端与采样反馈电路(13)连接，PWM控制电路(15)的输出端与反激式变压器(11)连接。
2.根据权利要求1所述的基于并联均流技术的开关电源电路，其特征在于：所述的均流电路(14)包括：第八电阻R8、第九电阻R9、第十电阻R10、第十一电阻R11、第二电容C2、第三电容C3和均流芯片U1；其中：第八电阻R8的一端与高频整流滤波电路(12)的输出端连接，另一端与电子控制单元(310)连接；第九电阻R9的一端与高频整流滤波电路(12)的输出端连接，另一端与均流芯片U1的第二引脚连接；第十电阻R10的一端与电子控制单元(310)连接，另一端与均流芯片U1的第一引脚连接；第十一电阻R11的一端与均流芯片U1的第五引脚连接，另一端与采样反馈电路(13)连接；第二电容C2的一端与均流芯片U1的第一引脚连接，另一端与均流芯片U1的第八引脚连接；第三电容C3的一端与均流芯片U1的第四引脚连接，另一端与均流芯片U1的第六引脚连接；均流芯片U1的第三引脚为电源端，与+5V电源连接，第四引脚为地线端，第七引脚为均流信号输入端，与均流母线LS连接。
3.根据权利要求2所述的基于并联均流技术的开关电源电路，其特征在于：所述的均流芯片U1采用UC29002D芯片。
4.根据权利要求1所述的基于并联均流技术的开关电源电路，其特征在于：所述的三相整流滤波电路(210)包括由整流二极管D1-D6组成的三相全桥整流电路(2101)和第一至第四电解电容E1-E4组成的滤波电路(2102)；三相全桥整流电路(2101)的输入端与泥浆涡轮发电机(110)的三相低频交流电能输出端U、V、W连接，三相全桥整流电路(2101)的输出端与滤波电路(2102)连接，在滤波电路(2102)中，第一电解电容E1与第二电解电容E2串联连接后，与第三电解电容E3和第四电解电容E4串联连接后再相互并联连接，用于滤除三相全桥整流电路(2101)输出直流电能中的纹波成分，滤波电路(2102)的输出电压记为Vin，其输出端与各并联的稳压电源(1)连接。
5.根据权利要求1所述的基于并联均流技术的开关电源电路，其特征在于：所述的反激式变压器(11)包括原边绕组(111)、副边绕组(112)、功率器件Q1及外围电路；三相整流滤波电路(210)输出的粗直流电能Vrec输入反激式变压器(11)的原边绕组(111)，在功率器件Q1导通的时间内，反激式变压器(11)将粗直流电能Vin转换成高频交流电能，存储在原边绕组(111)中，在功率器件Q1关断的时间内，存储在原边绕组(111)中的高频交流电能传递到副边绕组(112)中，电容C1和二极管D7组成峰值保持电路，电阻R1为电容C1提供放电回路，反激式变压器(11)的副边绕组(112)为反激式变压器(11)的输出端。
6.根据权利要求1所述的基于并联均流技术的开关电源电路，其特征在于：所述的高频整流滤波电路(12)包括半波整流电路和电容滤波电路；半波整流电路的输入端为高频整流滤波电路(12)的输入端，与反激式变压器(11)的输出端连接，半波整流电路由二极管D8组成，用于在功率器件Q1关断的时间内对反激式变压器(11)输出的高频交流电压进行半波整流，电容滤波电路由电容E5组成，用于滤除半波整流电路输出电压中的纹波成分；高频整流滤波电路(12)的输出端与电子控制单元(310)连接，二极管D9用于限制反向电压。
7.根据权利要求1所述的基于并联均流技术的开关电源电路，其特征在于：所述的采样反馈电路(13)包括电流采样反馈电路(131)和电压采样反馈电路(132)，电流反馈采样电路(131)由第四电阻R4采样功率器件Q1的源级电流，经第五电阻R5后与PWM控制电路(15)中误差放大器的输出信号进行比较，电压采样反馈电路(132)从高频整流滤波电路(12)的电容滤波电路输出端采样，经第六电阻R6和第七电阻R7分压后与PWM控制电路(15)中的参考电压进行比较，与电流反馈采样电路(131)组成双环控制系统，用于调节PWM控制电路(15)输出脉冲信号在一个周期内的占空比值。
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