二極管安全柵檢測用大電流可調(diào)脈寬直流脈沖電源的研制

雷文龍

摘 要：安全柵是本安防爆系統(tǒng)中常用的關(guān)聯(lián)設(shè)備，在其型式試驗時可調(diào)脈寬直流脈沖電流源是關(guān)鍵設(shè)備，對其性能的優(yōu)劣起著至關(guān)重要的評定作用。本文介紹了一種齊納式二極管安全柵檢測可調(diào)脈寬大電流直流脈沖電流源，給出了系統(tǒng)總體設(shè)計，詳細介紹了推挽電路、脈沖電流源放電電路、脈沖控制信號電路。

關(guān)鍵詞：二極管安全柵;推挽電路;放電電路;脈沖控制信號電路

中圖分類號：TN86 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2020）12-0108-02

0 引言

煤礦井下含有大量的爆炸性瓦斯氣體，0.2mJ的點火能量即可點燃瓦斯使其爆炸。為了限制煤礦井下設(shè)備發(fā)生故障或短路時的火花能量，常常采用隔爆或本安電路的設(shè)計形式。

安全柵又稱安全限能器、安全保持器，在本安防爆系統(tǒng)中是安裝在安全場所并含有本安電路和非本安電路的裝置。安全柵有齊納式和隔離式。齊納式安全柵的核心元件為齊納二極管（穩(wěn)壓二極管），通過限流和限壓的方式限制電路中送往現(xiàn)場本安回路的能量，防止非本安電路的危險能量串入本安電路，是本安系統(tǒng)的重要組成部分。因此，穩(wěn)壓二極管性能的好壞在電路中起著至關(guān)重要的作用。

根據(jù)GB3836.04-2010《爆炸性環(huán)境第4部分：由本質(zhì)安全型“i”保護的設(shè)備》中第10.8條規(guī)定：二極管安全柵或安全分流器需用試驗驗證其能否承受瞬態(tài)過程的影響。齊納二極管應(yīng)能夠承受頻率為50Hz、脈寬為50us的矩形脈沖的沖擊，連續(xù)次數(shù)不少于5次。因此，大電流可調(diào)脈寬直流脈沖電源是其性能測試的必備設(shè)備。

1 裝置總體方案設(shè)計

系統(tǒng)主要包括四部分：推挽充電電路、電容儲能電路、電流脈沖放電電路、脈沖控制信號，如圖1所示。

推挽充電電路內(nèi)含有隔離變壓器，在充電瞬間，可以防止供電瞬時電壓對后端電容的沖擊。儲能電路主要由電容構(gòu)成，用于儲存電能。電流脈沖放電回路在脈沖控制信號到來時可以按要求的瞬間脈沖形狀快速釋放能量給負載。脈沖控制信號電路可以定時發(fā)出信號控制放電回路放電。

2 關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)計

2.1 推挽電路

交流電源整流濾波后施加到由4個MOSFT開關(guān)管組成的推挽電路，如圖2所示。T為高頻變壓器，開關(guān)管N1和N2為1組，稱為主開關(guān)管組;N3和N4為1組，稱為副開關(guān)管組;在工作過程當中主開關(guān)管組和副開關(guān)管組中的開關(guān)管分別交替導通，即N1與N2互補導通，N3與N4互補導通。由于施加在兩組開關(guān)管控制端信號的頻率不同，即設(shè)置buck變換器開關(guān)管頻率為推挽級的2倍，從而使開關(guān)管按照一定的順序?qū)ā．擭1與N3同時導通時，在變壓器的初級端N1、L、N3形成回路，在變壓器的次級端通過二極管D1整流;當N1與N4同時導通時，N1、L、N4形成回路，在變壓器的次級端通過二極管D2整流。通過改變主開關(guān)管組控制端的頻率信號占空比即可改變變壓器的輸出值。輸出電壓為：Vout=D×Vin/（Ap/As），式中D為N1的占空比，Ap/As為變壓器匝數(shù)比。通過改變D，從而改變Vout。

2.2 電流脈沖放電電路

變壓器輸出后的電壓經(jīng)電容儲能網(wǎng)絡(luò)后施加到脈沖放電電路，電路原理圖如圖3所示。在電路上設(shè)計有三個開關(guān)管S5、S6、S7，通過開關(guān)管實現(xiàn)不同的控制功能。其中S5為主控制開關(guān)，控制主放電回路的通斷;S6、S7為脈沖開關(guān)，控制電路中電感的瞬時放電，從而形成脈沖電流。在初始時刻，電容放電網(wǎng)絡(luò)有存儲有足夠的能量，當開關(guān)管S5、S6同時導通，開關(guān)管S7關(guān)斷時，電路通過S5、S6、電感L形成回路，此時電感L儲存能量，電感電流持續(xù)快速上升，此時負載兩端電壓和電流均為0。

電路中串聯(lián)霍爾傳感器實現(xiàn)電流值的測量。當電流達到設(shè)定值后，開關(guān)管S5、S6同時斷開導通，開關(guān)管S7導通，此時電感L、D3、S7和負載形成回路，電感中儲存的能量迅速釋放，從而形成脈沖電流。

2.3 脈沖控制信號電路

脈沖電源的控制邏輯關(guān)鍵在于對開關(guān)管的控制，使開關(guān)管S5-S7按照變換器規(guī)律工作，如圖4所示。電路中設(shè)計電壓比較器和多個與非門形成時序邏輯控制器。霍爾傳感器的電壓輸出值作為電壓器比較器的負向輸入端，當霍爾傳感器的電壓輸出值小于比較器1正端的電壓最小設(shè)定值時，比較器1輸出高電平，比較器2輸出高電平，S5、S6導通，S7斷開。當霍爾傳感器的電壓輸出值大于比較器2正端的電壓最大設(shè)定值時，比較器2輸出低電平，S5斷開，S6導通，S7斷開。單片機發(fā)出脈沖頻率信號作為控制信號，從而實現(xiàn)脈沖電流的周期性控制。一個脈沖信號結(jié)束到下個脈沖來臨之前，S5-S7均處于關(guān)斷狀態(tài)，此時電感L中的剩余的能量通過D3、C、D4回路將剩余能量給電容充電，負載通過并聯(lián)的二極管D5續(xù)流。

為了實現(xiàn)脈寬的調(diào)整和脈沖個數(shù)的限制，通過單片機設(shè)置的輸出脈沖來控制IGBT開關(guān)管的導通和截止時間以及通斷次數(shù)，從而調(diào)節(jié)輸出脈沖的脈寬，實現(xiàn)20ms脈沖周期和連續(xù)脈沖數(shù)量的設(shè)定。

3 結(jié)語

通過對推挽充電電路、脈沖放電電路、脈沖控制信號等電路的研究，通過Multisim軟件仿真驗證，該設(shè)計達到了預(yù)期目的，能夠形成一套電流、脈寬可調(diào)，脈沖數(shù)固定，大電流的符合GB3836的二級管試驗用直流脈沖電源，對實際電路的制作起到了指導性作用。