三維感應(yīng)測井儀D類諧振功率放大器設(shè)計(jì)

龍文迪, 管國云, 聶在平, 李雷

(電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院, 四川 成都 610054)

0 引 言

傳統(tǒng)感應(yīng)測井儀器只在與井軸平行的方向布置線圈,只能測量地層水平方向的電阻率。三維感應(yīng)測井儀器在X、Y、Z方向上分別放置發(fā)射-接收線圈對,可以同時(shí)測得多個(gè)方向的電阻率[1],獲得更多的地層信息,描述各向異性油藏的電各向異性特性是其他測井儀器無法比擬的[2-3]。

在低電導(dǎo)率地層中,三維感應(yīng)測井激勵(lì)信號在接收線圈中的感應(yīng)信號量級為10-7～10-8V。為了獲得較高信噪比的接收信號,需要增大發(fā)射電流,以增加測量信號的幅度,從而提高感應(yīng)信號的信噪比[4]。傳統(tǒng)三維感應(yīng)測井儀器多采用AB類功率放大器,靜態(tài)功耗較大,難以實(shí)現(xiàn)高效率功率輸出[5];測井儀器在幾千米的地層下工作,周圍溫度高達(dá)150 ℃,需設(shè)計(jì)復(fù)雜的負(fù)載保護(hù)、限流、補(bǔ)償?shù)入娐?還要加一定面積的散熱片,電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,PCB板面積很大,系統(tǒng)可靠性較低。

采用開關(guān)方式工作的D類放大器理論上沒有靜態(tài)電流,具有高效率低功耗的特點(diǎn),但線性度不如傳統(tǒng)功率放大器[6]。本文通過對現(xiàn)有三維感應(yīng)測井儀的分析,設(shè)計(jì)了一種D類功率放大器,用并聯(lián)諧振回路濾波,獲得較高質(zhì)量的信號波形。在持續(xù)高溫工作時(shí),MOS管漏電流增大,變壓器和器件參數(shù)出現(xiàn)漂移,導(dǎo)致溫度升高,電流增大。這對于后續(xù)的數(shù)據(jù)處理和反演具有極大影響。本文的設(shè)計(jì)采用PWM調(diào)節(jié)D類功放的有效端電壓,從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定電流的輸出。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

實(shí)際三維感應(yīng)測井儀器在3個(gè)正交方向上依次順序發(fā)射15 kHz和30 kHz信號,要求發(fā)射電流為1 A。數(shù)據(jù)處理模塊采用數(shù)字相敏檢波(DPSD)技術(shù),DPSD利用與發(fā)射信號同頻率零相位的正交參考信號分別乘以檢測信號,求得信號的實(shí)部和虛部[7-8],據(jù)此可以得出電流的峰峰值,判斷電流大小,調(diào)整PWM的占空比。

發(fā)射電路系統(tǒng)組成及特點(diǎn):①使用FPGA產(chǎn)生15 kHz和30 kHz的發(fā)射信號,信號波形精度高、穩(wěn)定性好;②使用D類放大器進(jìn)行功率放大;③FPGA產(chǎn)生固定頻率為90 kHz的PWM信號,PWM信號調(diào)整功放電路的供給電壓,穩(wěn)定發(fā)射電流;④采用并聯(lián)諧振實(shí)現(xiàn)選頻;⑤取樣電流經(jīng)過DPSD處理后,調(diào)制PWM的占空比,從而調(diào)整D類放大器電壓,穩(wěn)定輸出電流。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 發(fā)射電路系統(tǒng)框圖

2 單元電路設(shè)計(jì)與分析

2.1 D類諧振功率放大器

圖2為實(shí)際設(shè)計(jì)的D類諧振功率放大器原理圖。T1為變壓器,VCC為放大器的端電壓。激勵(lì)信號是由FPGA產(chǎn)生的方波信號,通過MOS管驅(qū)動(dòng)芯片產(chǎn)生幅值足夠大使MOS管導(dǎo)通的電壓。其中V1和V2是2個(gè)幅度值足夠大且頻率穩(wěn)定的反向方波信號。當(dāng)V1為正半周時(shí),V2為負(fù)半周,T1管導(dǎo)通,T2管截止,電流方向?yàn)閕1;當(dāng)V1為負(fù)半周時(shí),V2為正半周,T2管導(dǎo)通,T1管截止,電流方向?yàn)閕2。因此,通過變壓器的電流是由i1和i2組成的周期信號ic,這個(gè)電流是由通過上下兩管的電流合成的。用傅里葉級數(shù)可將電流周期信號分解為平均分量、基次諧波幅度和多次諧波幅度之和[9]。即

ic=ic0+ic1mcoswt+ic2mcos 2wt+ic3mcos 3wt+…

(1)

式中,ic0為平均分量;ic1m為基次諧波幅度;ic2m,ic3m…為高次諧波幅度。

圖2 D類諧振功率放大器原理圖

并聯(lián)諧振如圖2中右邊所示,T2為取樣變壓器,從回路中取出一定的電流,電阻R1上的電壓作為PWM調(diào)控D類放大器的參考值。變壓器T2的初級匝數(shù)只有2匝,在并聯(lián)回路中可以忽略不計(jì)。L1為發(fā)射線圈,具有高感抗、低回路電阻的特點(diǎn)。這里,L1用L2和R2的串聯(lián)等效電路表示,R2為它的損耗電阻。當(dāng)發(fā)射信號時(shí),控制S1閉合,電容組C1與發(fā)射線圈諧振在30 kHz,控制S1和S2閉合,電容組C1和C2與發(fā)射線圈在15 kHz發(fā)生諧振。當(dāng)發(fā)生諧振時(shí),基波分量呈現(xiàn)的阻抗最大,且為純電阻Re,稱為諧振電阻。如果發(fā)射線圈的品質(zhì)因數(shù)Q很高,遠(yuǎn)大于1時(shí),由串并聯(lián)轉(zhuǎn)換公式得其近似值為

Re=Q2R2

(2)

IL1=Qic1m

(3)

諧振回路對其他諧波分量呈現(xiàn)的電阻都小,這樣就可近似認(rèn)為回路上只有基波分量產(chǎn)生的電壓。Q值越大,諧振電阻越大,選頻性能越好,諧波失真率越小;同時(shí)諧振電阻變大,T1初級線圈的等效電阻變大,要獲得同樣大小的輸出電流,必須增加端電壓VCC的值。所以,必須在選頻性能和端電壓上作出妥協(xié)。Q的大小由諧振頻率、發(fā)射線圈電感量和發(fā)射線圈損耗電阻組成。諧振頻率一定,發(fā)射線圈的參數(shù)依賴于三維感應(yīng)線圈系的設(shè)計(jì),線圈感抗值越大,損耗越小,則Q值越大。實(shí)際中使用的發(fā)射線圈Q值范圍為8～20,端電壓為7～25 V,實(shí)際儀器中端電壓最大可達(dá)到50 V。端電壓VCC調(diào)制到合適的大小,則可以穩(wěn)定發(fā)射1 A的電流。

2.2 PWM方法與實(shí)現(xiàn)

脈沖寬度調(diào)制(PWM)是通過調(diào)節(jié)占空比調(diào)節(jié)電壓[10];通過音頻信號與基準(zhǔn)信號比較產(chǎn)生PWM的占空比調(diào)節(jié)輸出。對于實(shí)際的三維感應(yīng)測井儀器,采用PWM的方式調(diào)節(jié)D類放大器端電壓VCC的有效值(見圖3)。

圖3 脈沖寬度調(diào)制

電源板提供50 V的直流電壓,經(jīng)過隔離變壓器、四階低通濾波器減小紋波和干擾,最后產(chǎn)生穩(wěn)定的50 V電壓V0。當(dāng)PWM信號為高電平時(shí),MOS管導(dǎo)通,電感L存儲能量,二極管承受反向電壓而截止;當(dāng)PWM信號為低電平,MOS管截止,電感L釋放能量,其感應(yīng)電動(dòng)勢使二極管導(dǎo)通。VCC有效電壓值q×50 V,其中q為PWM的占空比。由于電路不要求端電壓為一個(gè)穩(wěn)定的電壓值,改變其有效值,以調(diào)整基波分量的大小。圖3中只用一個(gè)高感抗的電感存儲能量,沒有使用復(fù)雜的濾波網(wǎng)絡(luò),減少了其他大電容和電感的使用。

PWM占空比的控制是用取樣變壓器T2(見圖2)從并聯(lián)回路中取出一定的電壓,經(jīng)過DPSD處理后,換算出發(fā)射電流的大小,然后控制FPGA調(diào)整占空比。采用這種全數(shù)字的調(diào)節(jié)方式,可以避免高溫影響,提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

用Agilent 4294A精密阻抗分析儀測量X方向發(fā)射線圈的參數(shù),在2個(gè)頻率點(diǎn)上分別匹配并聯(lián)諧振電容,電容值要足夠精確(見表1)。

表1 發(fā)射線圈參數(shù)

調(diào)試好DPSD算法以及發(fā)射模塊單元電路和其他電路模塊相互之間的通訊,在常溫和150 ℃高溫分別工作1 h后,測得工作參數(shù)見表2、表3。

表2 工作頻率15 kHz

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,發(fā)射頻率為15 kHz和30 kHz,高溫下,該發(fā)射系統(tǒng)通過PWM調(diào)節(jié)D類放大器端電壓,可以穩(wěn)定地驅(qū)動(dòng)1 A的發(fā)射電流。在高溫下,由于MOS管漏電流增大、耦合變壓器的損耗等影響,發(fā)射效率降低。

表3 工作頻率30 kHz

4 總 結(jié)

(1) 采用D類功率放大器可提高功放效率,減小功耗,解決傳統(tǒng)功放效率低的問題。

(2) 使用并聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)選頻作用。設(shè)計(jì)PWM調(diào)制D類功放的端電壓,有效解決電路隨溫度升高而漂移的問題。

(3) 該電路在高溫下可穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)1 A的電流,信號波形穩(wěn)定,滿足三維感應(yīng)儀器的實(shí)際需求。

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