過鉆具陣列感應(yīng)儀器開關(guān)電源方案設(shè)計(jì)*

*本課題為中國(guó)石油集團(tuán)公司項(xiàng)目“多模式過鉆具成像測(cè)井系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)”項(xiàng)目編號(hào)2021ZS03

作者簡(jiǎn)介：梁小兵（1978—），男，工學(xué)碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向：感應(yīng)測(cè)井儀器研制和微弱信號(hào)的采集與處理等，完成研制的儀器包括陣列感應(yīng)儀器和三維陣列感應(yīng)儀器。E-mail：liangxiaobing@cnlc.cn。

0   引言

過鉆具陣列感應(yīng)儀器是用于石油勘探開發(fā)的高端成像測(cè)井儀器，是為特殊過鉆桿工藝和保護(hù)套施工工藝設(shè)計(jì)的特殊儀器，儀器發(fā)射功率較大，高效的開關(guān)電源對(duì)儀器開發(fā)意義重大。儀器的工作環(huán)境溫度為175 ℃，儀器的設(shè)計(jì)難點(diǎn)是儀器的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)線性電源由于效率低和發(fā)熱大的缺點(diǎn)，很難滿足設(shè)計(jì)要求。與傳統(tǒng)裸眼井陣列感應(yīng)儀器相比，由于儀器采用電池供電，所以對(duì)儀器的供電系統(tǒng)提出了更高的要求。過鉆具陣列感應(yīng)儀器屬于大功率電阻率成像儀器，儀器的總功率在25 W 左右，對(duì)下井儀器的供電系統(tǒng)提出了更高的要求。本文提出了開關(guān)電源解決方案，采用高頻開關(guān)電源技術(shù)，在儀器中大功率發(fā)射單元和數(shù)字電路部分采用開關(guān)電源設(shè)計(jì)方案，提高供電效率，同時(shí)應(yīng)用EMC 技術(shù)，通過獨(dú)特設(shè)計(jì)的濾波單元，消除開關(guān)電源開關(guān)頻率對(duì)下井儀器中模擬電源部分的干擾，既提高了電源的效率，又保證儀器的測(cè)量精度。

1   過鉆具陣列感應(yīng)儀器

過鉆具陣列感應(yīng)下井儀器的工作原理是由發(fā)射線圈向地層發(fā)射激勵(lì)信號(hào)，由接收線圈接收來自地層的二次感應(yīng)信號(hào)，提取地層有用信息，用于分析泥漿侵入、各向異性地層識(shí)別^[1]和石油儲(chǔ)層評(píng)價(jià)等^[2]。

過鉆具陣列感應(yīng)儀器的構(gòu)成框圖如圖1 所示，主要包括電子線路和探頭兩大部分。電子線路部分由通信模塊、數(shù)字處理模塊、前放模塊、電源模塊、發(fā)射模塊和泥漿電阻率模塊構(gòu)成，探頭部分主要包括發(fā)射和接收線圈系。

圖中前放模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱信號(hào)60 dB 增益放大，對(duì)電源噪聲要求較高。其他功能模塊為數(shù)字電源供電，其中發(fā)射模塊對(duì)發(fā)射線圈提供激勵(lì)信號(hào)，是儀器的主要功耗單元。過鉆具陣列感應(yīng)線圈系結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 過鉆具陣列感應(yīng)儀器線圈系框圖

2   傳統(tǒng)陣列感應(yīng)儀器線性電源設(shè)計(jì)方案

傳統(tǒng)陣列感應(yīng)儀器的電源系統(tǒng)采用線性電源供電系統(tǒng)，系統(tǒng)框圖如圖3 所示。

在線性電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，電源效率低下，線性穩(wěn)壓器產(chǎn)生大量熱能，增加儀器工作的不穩(wěn)定性。井下儀器的供電來自井上發(fā)電設(shè)備經(jīng)電纜傳輸至井下電源供電系統(tǒng)輸入端，對(duì)地面供電系統(tǒng)提出更高的要求，為了解決上述問題，我們提出開關(guān)電源的設(shè)計(jì)方案。

3   過鉆具陣列感應(yīng)儀器開關(guān)電源設(shè)計(jì)方案

根據(jù)過鉆具陣列感應(yīng)儀器的特點(diǎn)，我們把發(fā)射功率較大的±15 V 發(fā)射電源和數(shù)字電路供電部分的數(shù)字電源采用開關(guān)電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)，強(qiáng)放電路模塊即對(duì)微弱信號(hào)進(jìn)行強(qiáng)制放大處理部分的電路仍然采用線性電源設(shè)計(jì)方案。電源詳細(xì)設(shè)計(jì)方案框圖如圖4 所示。

4   EMI技術(shù)

過鉆具陣列感應(yīng)儀器屬于高端精密儀器，其測(cè)量信號(hào)非常微弱，信號(hào)的量級(jí)只有幾十微伏，甚至幾十納伏，而且感應(yīng)儀器信號(hào)頻率范圍從（20 ～ 120）kHz 的范圍內(nèi)，容易受到開關(guān)電源頻率及諧波分量的影響；不好的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)會(huì)對(duì)原始信號(hào)產(chǎn)生很大的干擾，甚至完全淹沒，因此電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)就顯得尤為重要了。電源設(shè)計(jì)的主要任務(wù)就是利用EMC/EMI 技術(shù)，通過獨(dú)特設(shè)計(jì)的濾波單元消除開關(guān)電源模塊對(duì)模擬電源部分的干擾。

開關(guān)電源產(chǎn)生的EMI（electromagnetic interference）的根本原因是功率開關(guān)器件的高速開關(guān)動(dòng)作（幾十kHz到幾兆Hz）^[3-5]，在其工作過程中的電流變化率和電壓變化率非常大，這種控制方式使得開關(guān)電源的EMI 頻譜主要分布在基波頻率和諧波頻率上。

為了抑制開關(guān)電源產(chǎn)生的EMI，可以通過調(diào)制PWM 開關(guān)信號(hào)，將集中在基波頻率和諧波頻率上的譜能量分散到邊帶頻率上，減小最大譜峰值，從而使開關(guān)電源可以較為容易地通過EMI 的相關(guān)規(guī)定，還可以通過使用復(fù)雜的噪聲濾波器和防護(hù)罩來降低開關(guān)電源的EMI^[6]。

按照途徑區(qū)分，高頻電源干擾發(fā)生特點(diǎn)可分為傳導(dǎo)干擾和輻射干擾，傳導(dǎo)干擾又可分為共模干擾和差摸干擾。輻射干擾主要為電磁輻射。差模信號(hào)由高頻工作電流、數(shù)字電路工作電流引起，可由旁路電容濾除；共模信號(hào)由高頻開關(guān)電壓經(jīng)雜散電容傳播，可由共模濾波器濾除；電磁輻射經(jīng)空間傳播，可由金屬屏蔽、破壞引出線天線效應(yīng)濾除。

5   EMI技術(shù)在過鉆具陣列感應(yīng)儀器中的應(yīng)用

在過鉆具陣列感應(yīng)儀器開關(guān)電源模塊設(shè)計(jì)中，采用同步整流技術(shù)使整流損耗降至1% 以下；利用磁耦合PWM 控制，保證電源模塊在高溫下的高可靠性；采用精確的原邊限壓設(shè)計(jì)，使控制輸出更加可靠。為了提高開關(guān)電源模塊的可靠性，增加了硬件冗余設(shè)計(jì)，包括電容、開關(guān)管等易損部件。使用定頻軟開關(guān)技術(shù)同時(shí)限制頻譜范圍，在電源模塊設(shè)計(jì)中對(duì)電源模塊本身金屬屏蔽，阻斷天線效應(yīng)，內(nèi)置基本濾波背板單元，大大降低了電磁干擾^[7-8]。

圖5 為過鉆具陣列感應(yīng)儀器在實(shí)井測(cè)試中的原始數(shù)據(jù)曲線，儀器的原始信號(hào)變化范圍小于1 mS/m，滿足儀器設(shè)計(jì)要求，可見開關(guān)電源供電系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)要求。

圖5 過鉆具陣列感應(yīng)測(cè)試曲線

6   結(jié)束語

本文分析了開關(guān)電源模塊電磁干擾產(chǎn)生的原因及其特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了以EMC/EMI 濾波器為核心的解決方案，通過關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，消除了開關(guān)電源的電磁干擾，在過鉆具陣列感應(yīng)儀器設(shè)計(jì)中進(jìn)行了成功的應(yīng)用。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在下井儀器電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)的一些關(guān)鍵技術(shù)可以有效抑制開關(guān)電源模塊對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的電磁干擾，應(yīng)用效果良好。

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（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2021年11月期）