解 庆 白玉新 罗 翔 张朝阳 程召江

(北京精密机电控制设备研究所 北京 100076)

0 引 言

旋转导向钻井工具应用非接触式电能传输系统实现中心钻杆到不旋转外套的电能传输，是目前国内外静态推靠式旋转导向主流的技术路线，国内石油设备相关机构研发并成功应用的实例并不多。

为提高非接触式电能传输效率，井下高温逆变技术一直是不断研究的课题，既要满足旋转导向大功率用电需求，还要在高温狭窄密封空间内可靠工作数百小时，对逆变器的效率、结构和工艺提出了超高的要求。

本文所阐述的高温软开关全桥逆变技术已成功应用在自主研发的旋转导向钻井工具上，取得了多次井下实验的成功。

1 原理与设计

软开关全桥逆变器与旋转变压器、稳压变换器共同组成旋转导向中的非接触式电能传输系统，电能传输方向是从中心钻杆(全桥逆变器和旋转变压器原边)到不旋转外套(旋转变压器副边和电源变换器)。

1.1 总体方案

全桥逆变器将发电机输出的低频三相交流电转换为高频单相交流电，通过电磁感应从旋转变压器原边到副边传递，再由稳压变换器输出供电。

如图1 所示，全桥逆变器由三相整流桥、电容阵列、DCDC、ZVS-PWM 控制器、全桥自举驱动电路、全桥ZVS-PWM 谐振变换器、串联谐振电路和保护电路组成。三相整流桥和电容阵列将输入的低频三相交流电变换为直流电后，一路输出给全桥ZVS -PWM 谐振变换器，另一路经过DCDC 变换为+15 V 和+5 V 供ZVS -PWM控制器使用;ZVS -PWM 控制器输出2 组4 路PWM 信号(每组的2 路相位差180°并包含死区时间)，经过全桥自举驱动电路控制全桥ZVS -PWM 谐振变换器的开关管依次导通，最后输出单相高频交流电信号;系统内部设置过流保护、过压保护功能，超出最高值即关闭ZVSPWM 控制器的输出。软开关全桥逆变参数指标见表1。

图1 全桥软开关ZVS 逆变功能图

表1 软开关全桥逆变参数指标

1.2 电路参数设计

1.2.1 ZVS 软开关

ZVS 软开关的实现是在谐振原理基础上利用串联谐振电路的串联电容、串联电感和开关管并联电容作为谐振元件，使ZVS-PWM 谐振变换器的开关管中的电压按正弦或准正弦规律变化，实现恒频软开关［1］，大幅度减少开关损耗，并且可以调高开关频率，实现电路的高密度、高效率和小体积。软开关ZVS 逆变电路拓扑结构如图2 所示。

图2 所示的S1、S2、S3、S4为四个开关管构成全桥形式，D1、D2、D3、D4和C1、C2、C3、C4为相应开关管的并联二极管和并联电容，串联谐振电容Cr和串联谐振电感Lr作为谐振元件，使四个开关管依次在零电压下导通。为了防止桥臂直通短路，S1和S3、S2和S4之间由PWM 控制电路加入死区时间△t［2］。它根据开通延时和关断不延时原则来设置同一桥臂死区时间。

2 软开关ZVS 逆变电路拓扑结构图

1.2.2 ZVS-PWM 控制和自举驱动电路的设计

ZVS-PWM 控制器以Unitrode 公司的UC1875 控制芯片为核心，并搭配相关的外围电路组成ZVS-PWM 控制单元，如图3 所示。

图3 基于UC1875 的PWM 控制电路

OUTA、OUTB、OUTC、OUTD 为输出的4 路PWM 控制信号，FREQ 设定PWM 输出频率，DELAY A/B 和DELAY C/D 分别设置2 组PWM 控制信号的死区时间。本设计方案不考虑输出稳压，所以并未使用UC1875 的PWM 移相功能，故悬空误差放大器的同相/反相输入端E/A+、E/A-，并且对误差放大器的输出端E/A OUT 直接引入高电平，使得输出的2 组PWM 信号的相位偏移到最大180°，确保了输出占空比达到最高。过流保护信号通过外部采集电路进入C/S 端，当电流达到10 A 时便关断UC1875 的PWM 输出以停止系统的工作。

1.2.3 关键参数的设计

1)死区时间

死区时间会影响开关管的电压应力限制和ZVS 的实现，为保证每个开关管上电压应力为输出电压的一半，S1要比S3早关断△t，S2要比S4早关断△t，保证每个开关管S 的电压达到Vin/2 时，对应的并联二极管D已导通，通过公式可计算出合理的死区时间［3］:

式中，n 为旋转变压器的变比，Vo为旋转变压器副边电压，Lm为旋转变压器原边电感，fs为开关频率，Coss为开关管的输出结电容。

2)串联谐振参数

谐振参数的设计对于全桥逆变器甚至整个非接触式电能传输系统起到了至关重要的作用，它是确保实现ZVS 零电压开关，提升电能系统效率的关键参数。

串联谐振电容Cr计算公式为［3］:

式中，Vcmax为串联谐振电容的最大电压应力，Tmax为最大开关周期，Ip为旋转变压器原边电流。

串联谐振电感Lr计算公式为［3］:

若串联谐振电感Lr较大会有效抑制旋转变压器原边电流寄生震荡，降低损耗，但过大会造成占空比丢失;取小会提高效率，但过小会增大开关损耗。故Lr的确定还得根据实际应用情况来确定最佳参数［4］。

1.3 结构工艺设计

全桥逆变器电路被安装在空间狭窄的探管内，为了使电路能够得到充分的散热，PCB 采用铝基板工艺，所有元器件均采用标贴封装形式焊接在1.6 mm 厚的铝基面上，底面均匀涂抹导热胶紧贴在探管金属表面上，此工艺能够将电路自身发热有效地传递到金属上，确保了逆变器的长时间可靠安全工作。

2 实 验

本次实验将全桥软开关逆变器的开关频率设定为70 kHz，死区时间1.2 μs，串联谐振电容Cr为22 nF，串联谐振电感Lr为5μH，全桥开关管选择Vds≥400 V、Id≥30 A的MOSFET，旋转变压器变比n =1∶1。并联二极管D 的耐压V≥400 V，并联电容C≤50 nF。

实现以非接触式电能传输系统为整体进行，系统的输出功率负载设定在200 W，直流输入电压范围为75 V～135 V(绕过三相整流桥)。从表2 的测试结果中可得出，在输入电压85 V 时总体电能系统效率最高达到84.9%。

表2 测试结果

图3 显示了全桥软开关逆变器开关管S4的驱动电压Vgs和漏源电压Vce的波形。从图中可以清楚地看到，S4是零电压开关的。图4 显示了开关管S1与S3的驱动电压波形，可看出死区时间为1.2 μs。

图3 S4 的驱动电压Vgs和漏源电压Vce的波形

图4 开关管S1、S3 驱动电压波形

3 结 论

分析了一种应用在旋转导向钻井工具中实现非接触式电能传输的井下高温软开关零电压式全桥逆变电路，给出了工作原理与参数设计，经实验满足性能要求。目前该设计已成功应用在8.5 寸旋转导向钻井工具中并进行了多次井下实验，取得了优异的成绩。

另外，包含软开关全桥逆变技术的非接触式电能传输系统也可广泛应用在垂直钻井、连续管钻井等多种石油钻井工具或井下随钻测量设备中，不仅在石油钻井领域有着广泛的应用，同时在交通运输、航空航天和水下也能创造巨大的经济和社会效益。

［1］张化光，王 强，褚恩辉，等.新型谐振直流环节软开关逆变器［J］.中国电机工程学报，2010，46(3):12 -16.

［2］黎 平，周雒维. 一种新型无源无损软开关全桥逆变器［J］.电子技术应用，2007，32(06):26 -38.

［3］周林泉，阮新波.一种新颖的ZCZVS PWM Boost 全桥变换器［J］.中国电机工程学报，2003，37(11):12 -16.

［4］杨迎化，谢顺依，钟 祺，等.一种新型直流环节并联谐振软开关逆变器［J］.中国电机工程学报，2008，42(12):20-23.