适用于超高温的井下电源装置及系统的制作方法

1.本发明涉及油气井工程井下随钻测量领域，具体地说，涉及一种适用于超高温的井下电源装置及系统。


背景技术：

2.在油气井钻采领域，普遍认为耐温150℃及以下的无线随钻测量仪器为常温级别，耐温175℃为高温仪器，耐温200℃为超高温仪器。
3.随着超深井、干热岩等实际井下环境温度越来越高，对高温以及超高温随钻测量仪器的需求越来越强烈。
4.目前，国内外主流高温无线随钻测量仪器为耐温175℃等级。只有斯伦贝谢、哈里伯顿等个别公司研制了耐温200℃的超高温随钻测量仪器。超高温随钻测量仪器研制的主要难点在于缺少耐温200℃电子元件和超高温抗振密封材料。
5.常规电子元器件无法在200℃环境下工作。常规电子元器件的耐温等级一般分为105℃、125℃、150℃，少量电子元件的耐温等级可以达到175℃，极少数电子元件能够耐温200℃以上。
6.因此，本发明提供了一种适用于超高温的井下电源装置及系统。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种适用于超高温的井下电源装置，所述装置包含：
8.双路输入滤波电路，其用于对外接的至少两路输入电源进行滤波；
9.选频电路，其与所述双路输入滤波电路连接，用于选定耐超高温主控制器的工作频率；
10.软启动电路，其与所述耐超高温主控制器连接，用于控制所述耐超高温主控制器的软启动；
11.脉宽控制电路，其与所述耐超高温主控制器连接，用于进行限流控制；
12.输出整流滤波电路，其与所述脉宽控制电路连接，用于进行输出端的整流以及滤波处理。
13.根据本发明的一个实施例，所述双路输入滤波电路包含：
14.第五耐超高温二极管，其第一端作为第一输入端；
15.第六耐超高温二极管，其第一端作为第二输入端；
16.第一耐超高温电感，其第一端与所述第五耐超高温二极管的第二端以及所述第六耐超高温二极管的第二端连接；
17.第一耐超高温电容，其第一端与所述第一耐超高温电感的第二端连接，第二端与地连接。
18.根据本发明的一个实施例，所述选频电路包含：
19.第一耐超高温电阻，其第一端与所述双路输入滤波电路的输出端连接；
20.第五耐超高温电容，其第一端与所述第一耐超高温电阻的第二端连接，第二端与地连接。
21.根据本发明的一个实施例，所述软启动电路包含：
22.第一耐超高温电阻，其第一端与所述双路输入滤波电路的输出端连接；
23.第六耐超高温电容，其连接在所述耐超高温主控制器的ss引脚以及gnd引脚之间；
24.第四耐超高温电阻，其连接在所述耐超高温主控制器的ss引脚以及gnd引脚之间。
25.根据本发明的一个实施例，所述脉宽控制电路包含：
26.第二耐超高温电阻，其连接在所述耐超高温主控制器的vdd引脚以及isns引脚之间；
27.第一耐超高温限流电阻，其第一端与所述耐超高温主控制器的vdd引脚连接；
28.第三耐超高温电阻，其第一端与所述耐超高温主控制器的isns引脚连接，第二端与所述第一耐超高温限流电阻的第二端连接。
29.根据本发明的一个实施例，所述输出整流滤波电路包含：
30.第二耐超高温电感，其第一端连接在与所述耐超高温主控制器连接的耐超高温场效应管上；
31.第一耐超高温二极管，其第一端与所述第二耐超高温电感的第一端连接；
32.第四耐超高温电容，其第一端与所述第二耐超高温电感的第二端连接，第二端与所述第一耐超高温二极管的第二端连接。
33.根据本发明的一个实施例，所述装置还包含：
34.驱动电路，其用于驱动与所述耐超高温主控制器连接的耐超高温场效应管。
35.根据本发明的一个实施例，所述装置还包含：
36.反馈电路，其与所述耐超高温主控制器的fb引脚连接，用于进行电压反馈。
37.根据本发明的一个实施例，所述装置还包含：
38.零极点补偿回路，其连接在所述耐超高温主控制器的comp引脚以及fb引脚之间，用于进行零极点补偿。
39.根据本发明的另一个方面，还提供了一种适用于超高温的井下电源系统，所述系统包含：
40.如上任一项所述的适用于超高温的井下电源装置；
41.高散热性外壳，其与所述适用于超高温的井下电源装置的金属骨架充分贴合，内部采用高导热硅胶灌封，以增加散热能力。
42.本发明提供的适用于超高温的井下电源装置及系统具备以下优势：
43.(1)本发明提供的适用于超高温的井下电源装置及系统具备24-48v输入，+5v输出。
44.(2)本发明提供的适用于超高温的井下电源装置及系统的输出电流可以达到5a，为井下随钻测量仪器提供了稳定可靠的工作电源。
45.(3)本发明提供的适用于超高温的井下电源装置及系统支持涡轮发电机和电池组供电两种类型，为超高温随钻测量仪器灵活选择供电方式提供了选择。
46.(4)本发明提供的适用于超高温的井下电源装置及系统具备耐超高温的能力，能
够适用于井下200℃环境。
47.本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
48.附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例共同用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
49.图1显示了根据本发明的一个实施例的适用于超高温的井下电源装置结构框图；
50.图2显示了根据本发明的一个实施例的适用于超高温的井下电源装置电路拓扑图；
51.图3显示了根据本发明的一个实施例的双路输入滤波电路拓扑图；以及
52.图4显示了根据本发明的一个实施例的选频电路拓扑图。
具体实施方式
53.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，以下结合附图对本发明实施例作进一步地详细说明。
54.国内对于高温随钻测量系统仪器装备相关的研究并不多，因此，本发明的目的是提供耐超高温的井下电源装置，突破现有井下开关电源的工作温度范围一般为-40℃至+150℃之间的限制，将其工作温度范围提高至200℃，为高温随钻测量系统仪器装备解卡提供技术支撑。为高温、超高温随钻测量系统和其他井下测量仪器提供所需的工作电源电压。满足高温高压井、干热岩等高温钻井对超高温随钻测量仪器的需求。
55.图1显示了根据本发明的一个实施例的适用于超高温的井下电源装置结构框图。
56.如图1所示，适用于超高温的井下电源装置包含双路输入滤波电路101、选频电路102、软启动电路103、脉宽控制电路104以及输出整流滤波电路105。
57.具体来说，双路输入滤波电路用于对外接的至少两路输入电源进行滤波。选频电路与双路输入滤波电路连接，用于选定耐超高温主控制器的工作频率。软启动电路与耐超高温主控制器连接，用于控制耐超高温主控制器的软启动。脉宽控制电路与耐超高温主控制器连接，用于进行限流控制。输出整流滤波电路与脉宽控制电路连接，用于进行输出端的整流以及滤波处理。
58.另外，适用于超高温的井下电源装置还包含驱动电路106、反馈电路107以及零极点补偿回路108。
59.在实际的井下随钻测量系统中，电源来自电池组或在涡轮发电机，电池组的输出电源为固定电压，单节电池输出3.6v，涡轮发电机的输出电压是随着钻井液排量在一定范围内变化，需要配合ac/dc调理模块，才能输出固定电压，如48v或24v。而随钻测量系统的测控电路模块需要的工作电压通常为+5v及
±
13.5v多种固定直流电压。电池组或涡轮发电机输出的电压还不能直接使用，因此需要本发明提供的适用于超高温的井下电源装置为各个测控模块提供所需的具体电压和电流。在一个实施例中，适用于超高温的井下电源装置能够将24v～48v之间的直流电源转换成5v或
±
13.5v等多路输出。
60.综上，本发明提供的适用于超高温的井下电源装置能够用于200℃环境温度下的井下随钻测量场景，还可以应用到干热岩、超深井等超高温环境，为随钻测量仪器提供了根本保证，解决了超高温环境下的稳定可靠供电问题，并且本发明的电源转换电路体积小，转换效率高，可靠性高。
61.图2显示了根据本发明的一个实施例的适用于超高温的井下电源装置电路拓扑图。如图2所示，适用于超高温的井下电源装置包含双路输入滤波电路、选频电路、软启动电路、脉宽控制电路以及输出整流滤波电路。
62.具体来说，耐超高温主控制器u1采用耐200℃温度标准pwm调制芯片tps40200shkj，适用于超高温的井下电源装置中的电容选用c0g系列贴片电容，耐温200℃，电阻选用patt系列精密汽车薄膜电阻器，极限耐温250℃、满足aec-q200标准，适用于超高温的井下电源装置采用耐高温变压器，可以应用在+200℃高温环境下。
63.如图2以及图3所示，双路输入滤波电路包含：第五耐超高温二极管d5、第六耐超高温二极管d6、第一耐超高温电感l1以及第一耐超高温电容c1。
64.具体来说，第五耐超高温二极管d5的第一端作为第一输入端；第六耐超高温二极管d6的第一端作为第二输入端；第一耐超高温电感l1的第一端与第五耐超高温二极管d5的第二端以及第六耐超高温二极管d6的第二端连接。第一耐超高温电容c1的第一端与第一耐超高温电感l1的第二端连接，第一耐超高温电容c1的第二端与地连接。
65.具体来说，第五耐超高温二极管d5以及第六耐超高温二极管d6选用肖特基二极管，第一耐超高温电感l1选用固定电感器，第一耐超高温电容c1选用液体钽电容。第五耐超高温二极管d5、第六耐超高温二极管d6、第一耐超高温电感l1以及第一耐超高温电容c1均耐超高温200℃。双路直流输入电压推荐范围为22～48v，输入滤波电路最大电流4a，输入电压能够满足高温随钻测量系统仪器的功率需求。
66.在器件型号方面，第五耐超高温二极管d5以及第六耐超高温二极管d6选用肖特基二极管gb02sht01-46，第一耐超高温电感l1选用2100ht-100-v-rc，第一耐超高温电容c1选用135d107x9060f6e3。
67.进一步地，双路输入滤波电路可同时接入两路输入电源，例如，第一输入端接入接涡轮发电机供电，第二输入端接入电池组供电。当涡轮发电机输出电压超过电池组供电电压时，适用于超高温的井下电源装置由涡轮发电机供电。当涡轮发电机输出电压过低或达不到电池组供电电压时，适用于超高温的井下电源装置由电池组供电。
68.如图2以及图4所示，选频电路包含：第一耐超高温电阻r1以及第五耐超高温电容c5。
69.具体来说，第一耐超高温电阻r1的第一端与双路输入滤波电路的输出端连接；第五耐超高温电容c5的第一端与第一耐超高温电阻r1的第二端连接，第五耐超高温电容c5的第二端与地连接。
70.进一步地，根据公式f＝1/r1
×
c5＝118khz。选频电路的工作频率范围为35-500khz，选定的耐高温主控制器u1工作频率满足工作条件。
71.在器件型号方面，第一耐超高温电阻r1选用180k欧姆，patt系列电阻，耐温超过200℃。第五耐超高温电容c5选用c0g系列470pf、承压100v的多层陶瓷电容器。
72.如图2所示，软启动电路包含：第一耐超高温电阻r1、第六耐超高温电容c6以及第
四耐超高温电阻r4。
73.具体来说，第一耐超高温电阻r1的第一端与双路输入滤波电路的输出端连接。第六耐超高温电容c6连接在耐超高温主控制器u1的ss引脚以及gnd引脚之间；第四耐超高温电阻r4连接在耐超高温主控制器u1的ss引脚以及gnd引脚之间。需要说明的是，ss引脚为软启动引脚，gnd引脚为接地引脚。
74.进一步地，在第一耐超高温电阻r1选定的条件下，软启动时间与第六耐超高温电容c6有关，第六耐超高温电容c6又称为软启动电容c
ss
(nf)，与软启动时间t
ss
之间的关系为：
[0075][0076]
其中，r为105kω，v
sst
表示耐超高温主控制器u1的软启动电压。
[0077]
在器件型号方面，第六耐超高温电容c6选用c0g系列0.47uf、承压50v的多层陶瓷电容器，第四耐超高温电阻r4选用patt系列1m欧姆、功率0.125w表贴电阻。需要说明的是，本发明中所涉及的电阻也可以选用gcr、hgcr系列耐高温电阻。
[0078]
如图2所示，脉宽控制电路包含：第二耐超高温电阻r2、第一耐超高温限流电阻rs1以及第三耐超高温电阻r3。
[0079]
具体来说，第二耐超高温电阻r2连接在耐超高温主控制器u1的vdd引脚以及isns引脚之间；第一耐超高温限流电阻rs1的第一端与耐超高温主控制器u1的vdd引脚连接；第三耐超高温电阻r3的第一端与耐超高温主控制器u1的isns引脚连接，第三耐超高温电阻r3的第二端与第一耐超高温限流电阻rs1的第二端连接。需要说明的是，vdd引脚为输入电压引脚，isns引脚为输出电压引脚。
[0080]
进一步地，第一耐超高温限流电阻rs1选用30毫欧姆，功率1瓦的耐高温电流传感电阻器，具体型号为lt2010r0300feb18。工作温度范围为-60℃～+275℃。第二耐超高温电阻r2选用43k欧姆、功率0.125w表贴电阻。第三耐超高温电阻r3选用2k欧姆、功率0.125w表贴电阻。具体来说，采用电流传感器电阻器可以用来反馈电流，采用表贴电阻可以利用焊盘面积，增加电阻散热面积，改善散热效果。
[0081]
根据公式，最大电流imax＝vlim/rs1*(r2+r3)/r2，其中，vlim为100mv，计算得到imax＝3.4a。如果需要进一步提高最大电流，则可以降低第一耐超高温限流电阻rs1，例如，将第一耐超高温限流电阻rs1降低到0.02欧姆，则imax为5.23a。在实际应用中，根据负载需要的电流确定限流电阻的大小即可。
[0082]
如图2所示，输出整流滤波电路包含：第二耐超高温电感l2、第一耐超高温二极管d1以及第四耐超高温电容c4。
[0083]
具体来说，第二耐超高温电感l2的第一端连接在与耐超高温主控制器u1连接的耐超高温场效应管q1上；第一耐超高温二极管d1的第一端与第二耐超高温电感l2的第一端连接；第四耐超高温电容c4的第一端与第二耐超高温电感l2的第二端连接，第四耐超高温电容c4的第二端与第一耐超高温二极管d1的第二端连接。
[0084]
如图2所示，适用于超高温的井下电源装置还包含：驱动电路，其用于驱动与耐超高温主控制器u1连接的耐超高温场效应管q1。
[0085]
具体来说，驱动电路包含第五耐超高温电阻r5。第五耐超高温电阻r5的第一端与
耐超高温主控制器u1的gdrv引脚连接，第五耐超高温电阻r5的第二端与耐超高温场效应管q1的栅极g连接。需要说明的是，gdrv引脚为连接外部pmos场效应管的引脚。
[0086]
在一个实施例中，耐超高温主控制器u1的最大输出电流约为200ma，可以直接驱动耐超高温场效应管q1，无需特别的驱动电路，直接用0欧姆的第五耐超高温电阻r5即可。
[0087]
如图2所示，适用于超高温的井下电源装置还包含：反馈电路，其与耐超高温主控制器u1的fb引脚连接，用于进行电压反馈。
[0088]
具体来说，反馈电路包含第六耐超高温电阻r6以及第七耐超高温电阻r7。其中，第六耐超高温电阻r6的第一端与耐超高温主控制器u1的fb引脚连接，第六耐超高温电阻r6的第二端与适用于超高温的井下电源装置的输出端连接。第七耐超高温电阻r7的第一端与耐超高温主控制器u1的fb引脚连接，第七耐超高温电阻r7的第二端与地连接。需要说明的是，fb引脚为反馈引脚。
[0089]
具体来说，适用于超高温的井下电源装置的输出电压为+5v，若耐超高温主控制器u1的反馈参考电压为0.708mv，则根据电阻分压关系，vout＝0.708*(1+r6/r7)，当选定第七耐超高温电阻r7为9.76k欧姆时，计算得知，第六耐超高温电阻r6需要1.62k欧姆。
[0090]
在器件型号方面，第六耐超高温电阻r6，第七耐超高温电阻r7分别选用阻值为1.62k欧姆和9.76k欧姆，功率均为0.125w，封装为0805封装的patt系列高温薄膜电阻器。
[0091]
如图2所示，适用于超高温的井下电源装置还包含：零极点补偿回路，其连接在耐超高温主控制器u1的comp引脚以及fb引脚之间，用于进行零极点补偿。
[0092]
具体来说，零极点补偿回路包含第八耐超高温电阻r8、第七耐超高温电容c7以及第八耐超高温电容c8。其中，第八耐超高温电阻r8的第一端与耐超高温主控制器u1的comp引脚连接；第七耐超高温电容c7的第一端与第八耐超高温电阻r8的第二端连接，第七耐超高温电容c7的第二端与耐超高温主控制器u1的fb引脚连接；第八耐超高温电容c8连接在耐超高温主控制器u1的comp引脚以及fb引脚之间。
[0093]
进一步地，第八耐超高温电阻r8阻值为7.87k欧姆，第七耐超高温电容c7为4700pf，第八耐超高温电容c8为220pf。
[0094]
根据本发明的另一个方面，还提供一种适用于超高温的井下电源系统，其包含：适用于超高温的井下电源装置以及高散热性外壳。其中，高散热性外壳与适用于超高温的井下电源装置的金属骨架充分贴合，内部采用高导热硅胶灌封，以增加散热能力。
[0095]
具体来说，为了进行散热，适用于超高温的井下电源装置的电路结构热设计的原则是对发热元件反散布局，对耐超高温主控制器以及功率开关进行特殊热设计，包括增加pcb散热孔数量至常规数量的3-5倍，在耐超高温主控制器的底部大面积铺铜，在耐超高温主控制器所在位置的pcb板背面增加散热片，在场效应管所在pcb背面增加散热片，在元件与pcb之间，涂抹高导热密封紧固硅胶。
[0096]
为了提高其抗振性的同时，增加各元件的散热能力，在适用于超高温的井下电源装置外部，设计高散热性外壳，该壳体与电路金属骨架充分贴合，采用多位置螺钉紧固，内部用高导热硅胶全部灌封，以此增加电源转换模块的散热能力。在一个实施例中，高散热性外壳采用铝质外壳。
[0097]
总结来说，适用于超高温的井下电源系统通过优选超高温电子元器件，优化电路结构热设计，提高散热性能，能够为超高温随钻测量仪器提供电源转换功能。
[0098]
综上，本发明提供的适用于超高温的井下电源装置及系统具备以下优势：
[0099]
(1)本发明提供的适用于超高温的井下电源装置及系统具备24-48v输入，+5v输出。
[0100]
(2)本发明提供的适用于超高温的井下电源装置及系统的输出电流可以达到5a，为井下随钻测量仪器提供了稳定可靠的工作电源。
[0101]
(3)本发明提供的适用于超高温的井下电源装置及系统支持涡轮发电机和电池组供电两种类型，为超高温随钻测量仪器灵活选择供电方式提供了选择。
[0102]
(4)本发明提供的适用于超高温的井下电源装置及系统具备耐超高温的能力，能够适用于井下200℃环境。
[0103]
应该理解的是，本发明所公开的实施例不限于这里所公开的特定结构、处理步骤或材料，而应当延伸到相关领域的普通技术人员所理解的这些特征的等同替代。还应当理解的是，在此使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，而并不意味着限制。
[0104]
说明书中提到的“一个实施例”或“实施例”意指结合实施例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，说明书通篇各个地方出现的短语“一个实施例”或“实施例”并不一定均指同一个实施例。
[0105]
虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。