一种井下ICPT 供电电路设计和数值分析

孟巍，兰洪波，胡娜娜

（中海油田服务股份有限公司，北京，101149）

0 引言

ICPT，全称为Inductively Coupled Power Transfer，即非接触感应耦合电能传输技术。目前已经在电动汽车、生物医电、家用电器、石油钻井等领域得到成功应用。它不仅可以应用于单输入与单输出的供电系统，还能用于构建多输入、多输出及双向传输系统。

在石油钻探井下仪器当中，经常需要在旋转轴与不旋转部件之间进行电能传输。如果采用有线连接方式，无法适用于相对旋转的两个部件之间的电连接；而传统的电刷滑环方式，由于需要封闭旋转轴与不旋转部件之间的泥浆通道，需要设计旋转动密封的结构，可靠性很差，在钻井井下工作条件下，容易产生动密封的失效，影响设备的可靠性及使用寿命。而采用ICPT 技术，进行非接触式的电能传输，可以解决为相互旋转的模块提供电能的问题。

本文采用ICPT 技术，为井下电能耦合传输装置设计了一种电能传输电路，并提供了稳态工作状态下的参数计算方法。该装置采用了初级线圈与次级线圈的非接触设计，减少了电刷之间产生电火花的现象并可减少磨损，提高了设备的可靠性。该装置结构框图和功能框图如图1 所示：通过非接触式电磁耦合将初级输入的直流电源传送到次级，为次级所连其他设备提供电源。其原理主要是利用高频电磁感应技术、电力电子技术和信号调制解调技术，在相对转动的内外环结构间实现非接触的电能信号传递。

图1 ICPT 电能传输装置功能框图

1 总体设计

井下电能耦合传输电路的工作基本流程如下：

（1）将旋转导向开关电源输出的48V 直流电源Vd，通过ZVS 谐振逆变电路将其变换成高频交流电流，在初级的能量发射电磁线圈内形成时变的电磁场，发射交变电磁能量。

（2）通过电磁感应，在次级的能量拾取线圈中便产生相应频率的正弦感应交流电动势。

（3）次级传输进来的正弦交流电，经过AC-DC 变开关电路，能形成36V 的主电源输出。再由集成DC-DC 芯片转换+-15V，+5V 的三路DC 输出，供控制模块和芯片使用。

在初级电路中，我们采用电流馈送型推挽式并联谐振电路(Pull Push Current-Fed Parallel Resonance Converter)[1]，该系统的典型拓扑如图2 所示。它的主要特点是：

图2 典型的ICPT 电路拓扑

（1）非接触传输能量需要高频交流电，两个开关根据谐振电压的过零点交递开关，形成PUSH-PULL 拓扑电路；零电压切换，叫做ZVS（Zero Voltage Swtich），有效减小开关损耗。

(2)初级线圈与电容形成高品质的谐振回路，可以保证较完美的正弦振荡波形。

(3)输入所接的大电感相比谐振电感大不少，可以看作是恒流的电流源在给谐振回路交替注入方波电流，所以初级也叫电流型逆变电路。

(4)次级和初级线圈不在一个磁芯上，所以原次级要形成High-Leakage 变压器，保证两者之间有较高的互感，保证能量的传输。

图2 中逆变电路由Q1 和Q2 两个MOSFET 构成两个开关，Lp 与Cp 分别为系统能量发射线圈电感和线圈补偿电容，它们构成LC 并联谐振回路。Q1 与Q2 两个开关管交替导通，以Cp 上电压过零点为切换的触发条件，实现开关器件的ZVS（Zero Voltage Switch，零电压开关）控制。图中的直流电感Ld 和两个分裂电感Lsp1 和Lsp2 的作用是向谐振网络注入方波电波，这是电流源型并联谐振电路的一大特征。

2 控制电路设计

控制电路部分主要实现主电路ZVS 软开关运行控制、开关管驱动电路、主要电压参数采样等功能。控制电路结构如图3 所示。

图3 控制电路结构框图

当其中一个MOSFET 管的D 极，也就是连接谐振网络的节点，电压为正时，该开关管关闭，另一个开关管打开；反之亦然，这样就形成了根据电压过零点切换的交替导通和关闭。

■2.1 采样比较电路

采样电路通过采样谐振电容电压，精确采样得到高频谐振电压的过零点，产生准确过零切换信号，以保证准确的零电压开关。采样比较电路是由电阻分压环节及过零比较环节构成。电阻分压环节用于将谐振电压幅值降至适合于比较器输入的幅值范围内。而过零比较环节主要由高速集成比较器构成，比较器的输出在过零点时会发生正负切换，此时开关也会交换开关状态。

■2.2 开关控制信号的逻辑电路

开关控制信号的逻辑电路以比较器输出为输入，利用与非门和与门完成对两个开关门的控制逻辑，达到零电压切换的目的。

■2.3 开关管驱动电路

MOSFET 由于开关速度快、易并联、所需驱动功率低等优点已成为开关电源最常用的功率开关器件之一。跟双极性晶体管相比，MOSFET 是电压控制型，只要GS 电压高于一定的门限值就可以导通。但是，在需要速度的情况下，必须考虑电流因素。在MOSFET 管的结构中可以看到，在GS 和GD 之间存在寄生电容，而MOSFET 管的驱动，实际上就是对电容的充放电。对电容的充电需要一个电流。所以一个好的MOSFET 驱动电路的要求是：开关管开通瞬时，驱动电路应能提供足够大的充电电流使得MOSFET 的G-S 极间电压迅速上升到所需值，保证开关管能快速开通且不存在上升沿的高频振荡。开关管导通期间驱动电路能保证MOSFET 栅源极间电压保持稳定以使导通可靠。关断瞬间驱动电路能提供一个尽可能低阻抗的通路供MOSFET 栅源极间电容电压的快速泄放，保证开关管能快速关断。关断期间驱动电路最好能提供一定的负电压避免受到干扰产生误导通，简单可靠，损耗小。所以我们选用AD 公司的集成MOSFET 驱动器，它具有良好的电流输出能力，能满足对ZVS 中MOSFET 的驱动需要。

3 电路的相关参数计算

■3.1 重要的器件参数

电能电路最重要的指标是功率和效率，对它的数值分析是非常重要的，可以给特定应用的设计提供重要的前期参考作用[2，3]。在对电路进行数值分析时，要先确定和ICPT 谐振回路有关的参数。测量井下耦合传输装置的电磁骨架，在1kHz～100kHz 区间，通过阻抗分析仪测得的平均参数如表1 所示。

表1 耦合装置电气参数

上述电感值，是耦合器相对旋转的外筒合在一起后测得的值。不能将两个筒子分开测量单独的电感值，因为这样做还原不出工作结构的磁环境。需要注意的是，在电能传输耦合机构互感较高的情况下，拾取端也可以没有电容补偿[4]。

测量松耦合变压器互感的方法如下[5]：将初级和次级线圈的一对异名端连接在一起，另一对异名端与测量表笔连接在一块，读取测得的电感值L1，这种连接方式称为顺接（串联顺串）。然后，将初级和次级线圈的一对同名端连接在一起，另一对同名端与测量表笔相连，读取测得的数值L2 这种连接方法称为反接串联（反串）。

通过L1=Lp+Ls+2M和L2=Lp+Ls-2M两个式子，得到互感为：

由以上的方法，得到耦合器的互感为：M=152.3μH。

■3.2 谐振电压Vp 的计算

图4 是初级谐振线圈在ZVS 模式工作时的波形图。波形Vpowerl1 是线圈和Q1 的D 极相接的那端相对于地的电压波形；Vpowerl2 是线圈和Q2 的D 极相接的那端相对于地的电压波形；Vp 是线圈两端的相对电压波形。

图4 初级谐振线圈ZVS 模式时的电压波形图

直流电源48V 输出到直流电感Ld 和分裂电感Lsp1、Lsp2，分裂电感再连接到谐振网络，振荡电路的两端和Q1，Q2 的D 极分别相连。考察电压Vpowerl1 和Q1。在Q1 合上的半周期里，Vd 直接对分裂电感Lsp1 充电；在Q1 断开的另一半周期里，分裂电感Lsp1 对谐振网络放电。

这可以看成在一个开关周期内，直流电压Vd 直接对谐振网络供电，设谐振网络电压峰值为Vp。根据时间—电压平衡的原理，在一个周期T 内，两者根据时间积分的积分值应相等。所以有：

得到，VP=πVd=150.7V，可见谐振形成进入稳态后，谐振电压峰值主要由输入直流电压决定。

■3.3 空载谐振频率和感应电动势的计算

当次级空载的时候，初级谐振网络的阻抗为[6]：

所以解得谐振角速度为：

由于ω0Lp≫rp，所以振荡频率f≈f0，ω≈ω0。

将耦合器参数代入，可以得到：

谐振时的角速度为：

谐振频率为：f0=36.0kHz。

回路的品质因数为Q≈55，这样高的品质因数，能保证谐振的产生和维持。

利用实际的数值，得到次级开路时，初级电流峰值Ipoc=4.25A；次级开路电压峰值Vpoc=146.8V。

■3.4 次级反射阻抗对初级的影响

次级的电流为：

次级考虑并联补偿模型，和初级一起组成了PP 模型。在次级线圈的两端并联了补偿电容和负载，如图5 所示。

图5 PP 结构

根据初级和次级的线圈电感值，以及初级的谐振电容，选取次级的谐振电容值为0.01μF。则有Zs=jωLs+1/(jωCs+1/Ro)，同时次级的复功率为。

其中反射阻抗的实部和虚部分别是：

等效电路图如图6 所示。

图6 初级谐振线圈工作时等效阻抗图

设初级电感的等效串联电阻为rp，则耦合器带载工作时候的初级阻抗为：

根据初级的阻抗表达式绘图，曲线的顶点处即是在当前工作状态下，耦合器的谐振频率。

流入谐振网络的电流，因为直流电感的存在，是近似于方形的交流电。我们考虑主要因素，即一次谐波分量，有。

带载工作时的初级电流可以计算为：

次级感应出电动势，用电压源模型，次级的短路电流为：

将电压源模型转换为电流源模型，则次级的输出电压：

所以，输出功率可以从下式得到：

4 相关测试

将电能耦合传输电路和耦合器磁机构连在一起做测试，输入为实验室台式直流电源提供的48V 直流电，输出接交流可编程负载。

在次级开路时，初级线圈电压和电流波形图如图7 所示，黄色是电压波形，蓝色为电流波形。通过波形图可以看出电压峰值在150V 与160V 之间；电流峰值幅度在3.9A 左右；频率为35.7kHz 左右。而理想的计算数据分别为151V、4.25A、46kHz，吻合得较好，实际电流值偏小的原因在于真实的损耗未计算在内。

图7 初级线圈电压和电流与次级线圈电压

次级开路时，次级线圈的感应电压波形如图7 所示，峰值在150V 左右。在不同的负载和频率下对电路的重要参数进行计算，如表2 所示。

表2 不同负载下的稳态参数计算结果

用前述方法进行理论计算，在负载为200Ω、100Ω、70Ω 和50Ω 时，初级谐振回路的阻抗图如图8 所示。

图8 负载为200Ω、100Ω、70Ω 和50Ω 时的谐振回路阻抗图

由表2 和图8 可以看出，负载越大，输出功率越大；初级阻抗的Q 值越小，但在输出200W 的时候还能保持谐振所需要Q 值。谐振频率和次级输出电压在不同的负载下相对比较稳定，这是此电路的重要特别，这大大简化了后级电路动态响应特性的设计。初级振荡电压和电流当中，电压相对稳定，电流波动也很小，也对挑选器件参数是极为有利的。

5 结论

本文提供了一种完整的基于ICPT 电路的井下电能耦合发射电路的设计方案和相关的数值计算方法。在设计时，要合理地选择输入分裂直流电感，谐振电容、线圈电感、原次级互感和谐振频率等重要参数。ZVS 控制可以通过判断谐振电压过零点，合理地对开关信号进行交替控制，使电路进入稳定的谐振状态。该电路模块原理清晰，设计合理，很好地达到了模块的设计指标。