CN112671258A - 一种高温驱动器短节及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种高温驱动器短节及控制方法，包括：恒流充电电路、储能电路和驱动波形输出电路，恒流充电电路、储能电路、驱动波形输出电路依次连接；所述恒流充电电路和驱动波形输出电路均由PWM电路控制；所述恒流充电电路包括电流采集模块、第一PWM产生电路、MCU、第一驱动电路、第一MOS全桥电路、第一高频变压器和第一高频整流电路，所述电流采集模块、第一PWM产生电路、第一驱动电路、第一MOS全桥电路、第一高频变压器、第一高频整流电路依次连接，所述第一高频整流电路与储能电路相连；所述电流采集模块还与第一MOS全桥电路相连，所述第一PWM产生电路还与MCU相连接，所述MCU与驱动波形输出电路相连。

Description

一种高温驱动器短节及其控制方法

技术领域

本公开属于油田钻井的高温无线随钻仪领域，具体涉及一种高温驱动器短节及其控制方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

钻井液无线随钻仪，通过钻井液的压力波的变化传递数据，控制压力波变化的仪器是脉冲器，脉冲器相当于一个电磁阀，而控制它动作的仪器为驱动器。驱动器是个功率电路，不同的脉冲器由相应匹配的驱动器。目前，大部分驱动器的最高工作温度为125℃，它能够工作的井深约为3000米左右，对于深度大于3000米，甚至4000-6000米的油井，必须采用更高耐温的仪器，才能完成钻井导向。目前，这种仪器仅有少数国家拥有，我国新疆、青海、四川等地区的油气井、页岩气井大部分达到6000米深度，目前定向钻井主要依靠采购或租用进口无线随钻仪实施，不仅成本高，而且维修周期长，十分不便。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种高温驱动器短节及其控制方法，本公开针对现有钻井液无线随钻仪驱动器耐温低的实际，提供一种高温驱动器短节，与其它高温短节一起，组成175℃无线随钻仪，适应钻深井的需要。

根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

第一方面，本公开提供了高温驱动器短节；

高温驱动器短节，包括：恒流充电电路、储能电路和驱动波形输出电路，恒流充电电路、储能电路、驱动波形输出电路依次连接；所述恒流充电电路和驱动波形输出电路均由PWM电路控制；

所述恒流充电电路包括电流采集模块、第一PWM产生电路、MCU、第一驱动电路、第一MOS全桥电路、第一高频变压器和第一高频整流电路，所述电流采集模块、第一PWM产生电路、第一驱动电路、第一MOS全桥电路、第一高频变压器、第一高频整流电路依次连接，所述第一高频整流电路与储能电路相连；

所述电流采集模块还与第一MOS全桥电路相连，所述第一PWM产生电路还与MCU相连接，所述MCU与驱动波形输出电路相连。

第二方面，本公开提供了高温驱动器短节控制方法；

高温驱动器短节控制方法，包括：恒流充电电路对储能电路进行充电，若未接到输出指令，驱动波形输出电路不工作；若接到输出指令，储能电路上存储的电压加到所述驱动波形输出电路，所述驱动波形输出电路驱动脉冲器工作；

所述驱动波形输出电路由PWM电路控制，所述PWM电路的受控信号由恒流充电电路产生。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

1、本公开将36V直流电源变换成一种瞬间能输出大功率(大于电池最大放电功率)，后期输出维持电压的电路，实现驱动脉冲器(一种电磁阀)的目的。

2、本公开通过控制MCU、PWM控制电路和高位电流采集芯片控制驱动短节输出不同的电压波形来匹配性能不同的脉冲器。

3、采用高温分立器件和特殊的工作方法，将工作温度提高到175度，使钻井液无线随钻仪的深度可延伸近6000米。

4、本公开中输出波形现场可编程，适应多种脉冲器工作。

5、本公开的恒流充电电路中采用高位检流采样，满足虚地和取样阻值小而减少局部温升的目的。

6、本公开能控制仪器供电电池的放电电流，延长电池寿命和保护电池安全。

7、本公开恒流充电电路、储能电路、驱动波形输出电路所组成的电路，能瞬间能释放出远大于供电电源的额定功率。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1是本实施例的高温驱动器短节的电路结构图；

其中，1、高位检流，2、充电级PWM，3、MCU，4、充电级驱动电路，5、充电级MOS全桥电路，6、充电级高频变压器，7、充电级高频整流电路，8、储能电容，9、输出级PWM，10、输出级驱动电路，11、输出级MOS全桥电路，12、输出级高频变压器，13、输出级高频整流、滤波电路，14、反馈取样电路，15、脉冲器(另一短节)。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一

图1是本实施例的高温驱动器短节的电路结构图，如图1所示，一种高温驱动器短节，包括：恒流充电电路、储能电路和驱动波形输出电路，恒流充电电路、储能电路、驱动波形输出电路依次连接；所述恒流充电电路和驱动波形输出电路均由PWM电路控制；

恒流充电电路包括电流采集模块、第一PWM产生电路、MCU、第一驱动电路、第一MOS全桥电路、第一高频变压器和第一高频整流电路，所述电流采集模块、第一PWM产生电路、第一驱动电路、第一MOS全桥电路、第一高频变压器、第一高频整流电路依次连接，所述第一高频整流电路与储能电路相连；

所述电流采集模块还与第一MOS全桥电路相连，所述第一PWM产生电路还与MCU相连接，所述MCU与驱动波形输出电路相连。

电流采集模块采用高位检流1，第一PWM产生电路采用充电级PWM2，第一驱动电路采用充电级驱动电路4，第一MOS全桥电路选用充电级MOS全桥电路5，第一高频变压器选用充电级高频变压器6，第一高频整流电路选用充电级高频整流电路7。

作为一个或多个实施例，所述驱动波形输出电路包括第二PWM产生电路、MCU、第二驱动电路、第二MOS全桥电路、第二高频变压器和第二高频整流电路；所述第二MOS全桥电路、第二高频变压器和第二高频整流电路依次连接。

作为一个或多个实施例，所述第二MOS全桥电路、第二驱动电路、第二PWM产生电路依次相连；所述第二PWM产生电路与MCU相连接。

作为一个或多个实施例，所述第二PWM产生电路还与反馈取样电路相连，所述反馈取样电路与脉冲器相连。

作为一个或多个实施例，所述储能电路与所述第二MOS全桥电路相连。

第二PWM产生电路采用输出级PWM9，第二驱动电路采用输出级驱动电路10，第二MOS全桥电路采用输出级MOS全桥电路11，第二高频变压器采用输出级高频变压器12，第二高频整流电路选用输出级高频整流、滤波电路13。

本实施例的目的是将36V直流电源变换成一种瞬间能输出大功率(大于电池最大放电功率)，后期输出维持电压的电路，实现驱动脉冲器(一种电磁阀)的目的。由于各种脉冲器的性能不同，要求驱动短节能输出不同的电压波形来匹配脉冲器。为了实现上述目标，本驱动器电路以如下方法实现。

本实施例中高温驱动器短节主要恒流充电电路、储能电路、驱动波形输出电路组成，恒流充电电路和驱动波形输出电路均由PWM电路控制。其中，恒流充电电路由高位检流1、充电级PWM2、MCU、两个半桥充电级驱动电路4、充电级MOS全桥电路5、充电级高频变压器6、充电级高频整流电路7组成；储能电路由一组并联电容组成；驱动波形输出电路由输出级PWM9、MCU、两个半桥输出级驱动电路10、输出级MOS全桥电路11、输出级高频变压器12、输出级高频整流、滤波电路13组成。

其工作方式如下：36V电压(电池或发电机)经过高位检流1采集芯片、充电级MOS全桥电路5、充电级高频变压器6、充电级高频整流电路7对储能电容组8充电，其最大充电电流和目标充电电压由MCU、充电级PWM2和高位检流1采集芯片决定，本电路中，充电电流控制在1A(无线随钻仪使用的锂电池最大放电电流为1.2A),充电电压为50V(电容耐压63V，考虑高温下额定耐压值下降)；电容上存储了50V的直流电压，当接到输出指令后，电容上存储的电压通过输出级MOS全桥电路11、输出级高频变压器12、输出级高频整流、滤波电路13输出到脉冲器(另一个短节)，输出波形由MCU、反馈取样电路14、输出级PWM9决定。

如果器件选择得当，以上电路就能实现125℃无线随钻仪驱动短节的目标。在此基础上，实现175℃驱动电路，可以还采取了以下方法：

1、挑选175℃器件，部分无175℃标称的器件，选择150℃或125℃，并将器件模拟在实际电路中，在175℃环境下连续加电48小时，选出能够使用的器件。

2、采用高端电流采集方式，一方面解决虚地问题，另一方面减小采样电阻阻值，减少局部温升。

3、挑选半桥驱动芯片，保证极好的驱动波形，同时采用移相试验性微调方式，找到MOS全桥电流过零点时机切换，使全桥工作效率最高，损耗和温升最小；

4、选择内阻值极小的MOS管作为全桥的器件，功率器件采用铝基板安装方式，高频变压器和电感安装在铝板上，减小局部温升；

5、采用微时间休眠，全部电路在工作间隔，那怕只有1秒，在不影响正常触发的情况下，均由MCU控制进入休眠状态，以减少温升和省电；

6、采用高温器件转移补偿其它器件方式，部分芯片在低功耗时，工作额定温度能大幅度提高，而且不影响功能。因此，通过高温电源芯片输出特殊电压，如5V器件供4V，3.3V器件供2.7V等，能实现150℃、甚至125℃器件在175℃环境下正常工作。

本实施例可以用于满足油田5000米以上的定向井钻井，解决目前新疆、青海、四川等油田高价租用进口仪器钻定向井的问题。实现175℃环境下驱动器短节正常工作，除需要合理地设计和配置电路外，本驱动器短节在研制过程还采取上述6项特殊的方法提高温度性能，达到了仪器的要求。

实施例二

本实施例提供了一种高温驱动器短节控制方法，包括：恒流充电电路对储能电路进行充电，若未接到输出指令，驱动波形输出电路不工作；若接到输出指令，储能电路上存储的电压加到所述驱动波形输出电路，所述驱动波形输出电路驱动脉冲器工作；

所述驱动波形输出电路由PWM电路控制，所述PWM电路的受控信号由恒流充电电路产生。

作为一个或多个实施例，所述恒流充电电路对储能电路进行充电的具体过程为：

直流电源通过电流采集模块加到第一MOS全桥电路，所述第一MOS全桥电路由第一驱动电路驱动，所述第一驱动电路驱动由第一第一PWM产生电路控制，所述第一PWM产生电路的受控信号来源于电流采集模块和MCU，所述第一MOS全桥电路的输出接到第一高频变压器，经第一高频整流电路对储能电路充电。

作为一个或多个实施例，所述储能电路上存储的电压加到所述驱动波形输出电路的具体过程为：

所述储能电路上存储的电压经第二MOS全桥电路加到第二高频变压器，所述第二高频变压器输出的高频交流电压，经第二高频整流电路整流滤波后，驱动脉冲器工作；

作为一个或多个实施例，在第二高频整流电路与脉冲器之间还设有反馈采样电路，所述第二高频整流电路输出的电压波形经所述反馈采样电路输出到脉冲器上。

作为一个或多个实施例，所述驱动波形输出电路由PWM电路控制，所述PWM电路的受控信号由恒流充电电路产生的具体过程为：

所述第二MOS全桥电路由第二驱动电路驱动，所述第二驱动电路由第二PWM产生电路控制，所述第二PWM产生电路的受控信号来自于MCU和反馈采样电路。

电流采集模块采用高位检流1，第一PWM产生电路采用充电级PWM2，第一驱动电路采用充电级驱动电路4，第一MOS全桥电路选用充电级MOS全桥电路5，第一高频变压器选用充电级高频变压器6，第一高频整流电路选用充电级高频整流电路7。第二PWM产生电路采用输出级PWM9，第二驱动电路采用输出级驱动电路10，第二MOS全桥电路采用输出级MOS全桥电路11，第二高频变压器采用输出级高频变压器12，第二高频整流电路选用输出级高频整流、滤波电路13。

具体实现的过程为：

36V直流电源，通过高位检流1芯片加到充电级MOS管全桥电路5，MOS全桥电路5由充电驱动电路4驱动，充电级驱动电路4由充电级PWM2产生电路控制，充电级PWM2的受控信号来自于高位检流1和MCU3，充电级MOS全桥电路5的输出接到充电级高频变压器6，经充电级高频整流电路7对储能电容8充电。在未接到驱动指令时，输出级电路不工作，在接到输出指令(输出指令来自于MCU)时，储能电容8上存储的电压经输出级MOS全桥11加到输出级高频变压器12，输出级MOS全桥电路11由输出级驱动电路10驱动，输出级驱动电路10由输出级PWM9产生电路控制，输出级PWM9的受控信号来自于MCU3和反馈取样电路14，输出级高频变压器12输出的高频交流电压，经输出级高频整流、滤波13电路整流滤波后，驱动脉冲器15工作。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种高温驱动器短节，其特征在于，包括：恒流充电电路、储能电路和驱动波形输出电路，恒流充电电路、储能电路、驱动波形输出电路依次连接；所述恒流充电电路和驱动波形输出电路均由PWM电路控制；

所述恒流充电电路包括电流采集模块、第一PWM产生电路、MCU、第一驱动电路、第一MOS全桥电路、第一高频变压器和第一高频整流电路，所述电流采集模块、第一PWM产生电路、第一驱动电路、第一MOS全桥电路、第一高频变压器、第一高频整流电路依次连接，所述第一高频整流电路与储能电路相连；

所述电流采集模块还与第一MOS全桥电路相连，所述第一PWM产生电路还与MCU相连接，所述MCU与驱动波形输出电路相连。

2.根据权利要求1所述的高温驱动器短节，其特征在于，所述储能电路包括一组并联电容。

3.根据权利要求1所述的高温驱动器短节，其特征在于，所述驱动波形输出电路包括第二PWM产生电路、MCU、第二驱动电路、第二MOS全桥电路、第二高频变压器和第二高频整流电路；所述第二MOS全桥电路、第二高频变压器和第二高频整流电路依次连接。

4.根据权利要求3所述的高温驱动器短节，其特征在于，所述第二MOS全桥电路、第二驱动电路、第二PWM产生电路依次相连；所述第二PWM产生电路与MCU相连接。

5.根据权利要求4所述的高温驱动器短节，其特征在于，所述第二PWM产生电路还与反馈取样电路相连，所述反馈取样电路与脉冲器相连。

6.根据权利要求4所述的高温驱动器短节，其特征在于，所述储能电路与所述第二MOS全桥电路相连。

7.一种高温驱动器短节控制方法，其特征在于，包括：恒流充电电路对储能电路进行充电，若未接到输出指令，驱动波形输出电路不工作；若接到输出指令，储能电路上存储的电压加到所述驱动波形输出电路，所述驱动波形输出电路驱动脉冲器工作；

所述驱动波形输出电路由PWM电路控制，所述PWM电路的受控信号由恒流充电电路产生。

8.根据权利要求7所述的高温驱动器短节控制方法，其特征在于，所述恒流充电电路对储能电路进行充电的具体过程为：

直流电源通过电流采集模块加到第一MOS全桥电路，所述第一MOS全桥电路由第一驱动电路驱动，所述第一驱动电路驱动由第一第一PWM产生电路控制，所述第一PWM产生电路的受控信号来源于电流采集模块和MCU，所述第一MOS全桥电路的输出接到第一高频变压器，经第一高频整流电路对储能电路充电。

9.根据权利要求8所述的高温驱动器短节控制方法，其特征在于，所述储能电路上存储的电压加到所述驱动波形输出电路的具体过程为：

所述储能电路上存储的电压经第二MOS全桥电路加到第二高频变压器，所述第二高频变压器输出的高频交流电压，经第二高频整流电路整流滤波后，驱动脉冲器工作；

和/或

在第二高频整流电路与脉冲器之间还设有反馈采样电路，所述第二高频整流电路输出的电压波形经所述反馈采样电路输出到脉冲器上。

10.根据权利要求9所述的高温驱动器短节控制方法，其特征在于，所述驱动波形输出电路由PWM电路控制，所述PWM电路的受控信号由恒流充电电路产生的具体过程为：

所述第二MOS全桥电路由第二驱动电路驱动，所述第二驱动电路由第二PWM产生电路控制，所述第二PWM产生电路的受控信号来自于MCU和反馈采样电路。

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