基于故障電流變化率的大功率本安電源設計

康騫, 許春雨, 田慕琴, 宋建成

(1.太原理工大學 礦用智能電器技術國家地方聯(lián)合工程實驗室, 山西 太原 030024; 2.太原理工大學 煤礦電氣設備與智能控制山西省重點實驗室， 山西 太原 030024)

0 引言

煤礦井下存在大量易燃易爆的混合物，這就要求本安電源正常工作或發(fā)生故障時所產(chǎn)生的電火花或熱效應均不能導致爆炸[1]。隨著煤礦井下電氣設備自動化程度越來越高，井下安裝的各種監(jiān)測、控制、通信系統(tǒng)及設備越來越多，使得小功率本安電源不能滿足實際生產(chǎn)需求[2]。因此，在保證本質安全的前提下，最大程度地提高本安電源輸出功率，是本安電源發(fā)展的重要分支[3]。

文獻[4-6]對復合電路、開關電路等非線性復雜電路的數(shù)學建模和本質安全開關變換器的本質安全理論進行了研究。文獻[7]通過在回路中串聯(lián)采樣電阻進行故障識別，電路設計簡單但效果一般。文獻[8]采用集成芯片數(shù)控技術，設計了截止型短路保護電路，不僅簡化了電路設計，還提高了電路穩(wěn)定性，但其本質還是通過檢測采樣電阻兩端電壓的方式進行故障識別。文獻[9]基于單片機控制技術設計了輸出大電流的本安電源，同時增加了火花能量釋放回路，但其電路設計復雜，實際應用較困難。文獻[10]結合動態(tài)識別關斷(Dynamic Arc Recognition and Termination, DART)技術和數(shù)字控制技術，通過檢測電氣系統(tǒng)動態(tài)參數(shù)設計了一種截止型本安保護電路，實現(xiàn)了動態(tài)參數(shù)的快速檢測，同時提高了保護電路穩(wěn)定性，但其電路結構復雜且缺少數(shù)學模型分析。

針對現(xiàn)有本安電源存在的輸出功率小、保護效果差、動態(tài)響應速度慢等問題，本文設計了一種基于故障電流變化率的大功率本安電源，通過檢測本安電源發(fā)生短路故障后的電流變化率，加快本安電源保護電路的保護速度，提升電源的本質安全性能。

1 基于故障電流變化率的短路故障檢測原理

本安電源可等效為如圖1所示的電勢電容(Electric Potential Capacitance, EC)電路[11]。EC電路發(fā)生短路故障前的電路模型如圖1(a)所示。在等效的開關電源電路模型中，E為電源電勢，R0為充電電阻，iL為負載電流。在等效的保護電路模型中，S1為保護開關器件，當遇到過流、過壓及短路等故障時開關斷開；R為短路回路電阻，通常情況下R遠小于R0，以避免火花放電過程中對電源電勢E的影響[6]。在等效的負載模型中，RL為電源負載，S2為短路開關，當S2閉合時，電路發(fā)生短路故障。EC電路發(fā)生短路故障后的電路模型如圖1(b)所示。等效的開關電源電路模型和保護電路模型與短路前相同。在等效的火花放電模型中，因為短路后火花放電電流和火花放電電壓不能立刻突變，所以，用短路等效電感Ls等效[12]。Uh為發(fā)生火花放電的建弧電壓[13]，ug為火花放電時的輸出端電壓。

(a) 短路前

(b) 短路后

由圖1(b)可得

(1)

式中：ic為電容電流；C為濾波電容；uc為電容兩端電壓；t為時間；ig為短路后火花放電電流。

由式(1)可得短路后火花放電電流ig、火花放電電壓ug、火花放電功率Wg分別為

(2)

ug=uc-igR

(3)

(4)

通過Matlab對EC電路短路后的火花放電模型進行仿真，仿真參數(shù)見表1。

表1 EC電路主要參數(shù)Table 1 Main parameters of EC circuit

EC電路短路后的火花電流與火花電壓的變化曲線如圖2所示。由圖2可知，EC電路在零時刻發(fā)生短路故障，短路后火花放電電流迅速上升，后緩慢下降，同時火花放電電壓迅速下降。

圖2 EC電路短路后的火花電流與火花電壓Fig.2 Spark current and spark voltage of EC short circuit

EC電路短路后火花放電能量與放電時間的關系如圖3所示。由圖3可知，火花放電時間越長，所釋放的火花能量越多，如果不能及時采取短路本安保護等有效措施，所釋放的火花能量將有可能引燃煤礦井下的易燃易爆混合物，對井下作業(yè)人員的人身安全及各類設備的正常運行造成嚴重威脅。

圖3 火花放電能量與放電時間的關系Fig.3 The relationship between spark discharge energy and discharge time of EC short circuit

基于上述對本安電源短路故障特性的分析可知，短路初始階段火花放電電流迅速上升，電流變化率會發(fā)生突變。通過檢測短路故障后電路中故障電流變化率的值，可以提前預知故障狀態(tài)，在故障電流達到傳統(tǒng)電流保護方法所設置的保護閾值之前便可以觸發(fā)保護功能，并在短路故障的初始階段切斷輸出回路。通過故障電流變化率檢測，可提高電路的動態(tài)響應性能，加快保護速度，進一步提高本安電源的輸出功率。

2 大功率本安電源總體設計

2.1 總體設計方案

大功率本安電源由開關電源和本安保護電路2個部分組成，如圖4所示。開關電源部分通過電流控制型脈寬調制芯片UC3842控制MOSFET開關管的開通與關斷時間比，保證輸入電壓在90～265 V變化時，維持穩(wěn)定的直流輸出。本安保護電路基于故障電流變化率來限制火花放電的能量，主要包括故障檢測電路、比較電路、自恢復電路、軟啟動電路、驅動電路，其中故障檢測電路包括過流過壓檢測電路、故障電流變化率檢測電路。

圖4 大功率本安電源總體方案Fig.4 Overall scheme of high-power intrinsically safe power supply

2.2 設計指標

根據(jù)GB 3836.4—2010《爆炸性環(huán)境 第4部分：由本質安全型“i”保護的設備》相關規(guī)定[14]，結合煤礦井下直流設備的實際工作要求，得出本安電源的設計指標，見表2。

表2 本安電源設計指標Table 2 Design index of intrinsically safe power supply

3 開關電源主體設計

3.1 主電路設計

開關電源主電路部分主要由整流濾波輸入電路、降壓隔離電路、整流濾波輸出電路組成，如圖5所示。第1級電路為整流濾波輸入電路，保險絲F1和壓敏電阻Rv用來抑制電源啟動過程中的過電壓、過電流，防止電源損壞。共模電感L1、安規(guī)電容CX1和CX2—CY4起到抑制共模和差模噪聲的作用。以上元器件構成電磁干擾(Electromagnetic Interference，EMI)濾波電路，主要用于保護電源，避免電源受電源輸入線中的電磁干擾，同時抑制電源自身產(chǎn)生電磁干擾。EMI濾波電路后接不控整流橋BD1，將輸入交流電壓整流為帶有一定紋波的直流電壓。第2級電路為降壓隔離電路，通過大容值電解電容C5降低直流電壓紋波后，通過高頻變壓器T1與N溝道MOS管Q1將較高等級電壓反激變換為較低等級電壓。第3級電路為整流濾波輸出電路，通過整流二極管D1和濾波電容C6輸出所需直流電壓，R1為假負載。因為反激變換結構電路設計簡單，造價低廉，所以被廣泛應用于低功率電源場合[15]。

圖5 開關電源主電路Fig.5 Main circuit of switching power supply

3.2 控制電路及反饋電路設計

開關電源控制電路及反饋電路如圖6所示。控制電路部分以電流型PWM集成控制芯片UC3842為核心，UC3842用于產(chǎn)生PWM脈沖控制信號。電阻R2、電容C7構成RC補償網(wǎng)絡，用于消除穩(wěn)態(tài)誤差并與光耦組成反饋網(wǎng)絡。電阻R3、電容C8分別為定時電阻和定時電容，用于使芯片內部振蕩器產(chǎn)生一定頻率的PWM波。三極管Q2、電阻R4、電容C9構成斜坡補償網(wǎng)絡，保證電源在占空比大于50%時也可以正常工作。電容C11為芯片啟動電解電容。電阻R6、電容C10構成電流檢測網(wǎng)絡，起控制脈寬的作用。電阻R6—R9、二極管D2構成N溝道MOS開關管Q1的驅動網(wǎng)絡，控制其開通與關斷。

反饋電路部分采用三端穩(wěn)壓器TL431與光耦結合方式，通過光耦P2(P2-1,P2-2)輸出的電流變化控制芯片P1，使其工作頻率相應發(fā)生變化，從而實現(xiàn)對輸出電壓的穩(wěn)定調節(jié)。VDC為電源輸出電壓，D3為三端穩(wěn)壓器TL431，電源通過電阻R13，R14分壓并與D3相連。當電源輸出電壓大小發(fā)生變化時，與之相連的D3輸出電壓也發(fā)生變化，光耦P2內部發(fā)光二極管與光敏三極管的電流隨之發(fā)生變化，通過與芯片UC3842的反饋端連接，調節(jié)芯片輸出占空比，穩(wěn)定電源輸出電壓。電阻R10為光耦P2的供電電阻，電阻R11，R12與電容C13，C14構成反饋電路的電流補償網(wǎng)絡，電容C12為光耦軟啟動電容。

圖6 開關電源控制電路及反饋電路Fig.6 Control circuit and feedback circuit of switching power supply

4 本安保護電路設計

本安保護電路是本安電源的核心電路，決定著本安電源的可靠性和安全性。當電路發(fā)生過電流、過電壓或嚴重短路故障時，可快速切斷輸出回路,以限制火花能量釋放，達到本質安全設計要求。根據(jù)GB 3836.4—2010《爆炸性環(huán)境 第4部分：由本質安全型“i”保護的設備》相關規(guī)定[14]，“ib”等級礦用電氣設備必須有2級以上的保護電路，本文所設計的第1級本安保護電路與第2級本安保護電路完全相同，這里只介紹第1級本安保護電路。

4.1 過流過壓檢測電路

過流過壓檢測電路如圖7所示。其中A1，A2為比較器，Rs為電流檢測采樣電阻，is為負載電流，D4，D5為三端穩(wěn)壓器TL431。連接TL431的陽極和陰極，使其陽極和陰極之間的電壓始終為2.5 V。R15—R17，D4及A1構成過壓檢測電路，R18—R20，D5，A2及Rs構成過流檢測電路。

圖7 過流過壓檢測電路Fig.7 Over-voltage and over-current detection circuit

當電路正常工作時，A1的同相輸入端電壓始終為2.5 V，通過R16，R17選型匹配，使A1反相輸入端電壓小于2.5 V，A1同相輸入端電壓大于反相輸入端電壓，A1輸出高電平，主電路開關管導通。同時R18，R19兩端電壓也為2.5 V，通過R18，R19分壓，A2的同相輸入端電壓為

(5)

比較器A2的反相輸入端電壓為

u2=Rsis

(6)

通過R18，R19，Rs的選型匹配，使得正常工作時A2的同相輸入端電壓大于反相輸入端電壓，即u1>u2，A2輸出高電平，主電路開關管導通。

當電路發(fā)生過壓故障時，因R16，R17分壓，使得A1的反相輸入端電壓大于同相輸入端電壓，A1輸出低電平，主電路開關管截止；當電路發(fā)生過流故障時，電流檢測采樣電阻兩端壓降大于A2同相輸入端電壓，即u1

4.2 故障電流變化率檢測電路

由上文分析可知，當本安電源發(fā)生嚴重短路故障后，輸出火花放電時間越長，所釋放的火花能量越多，不利于本安電源功率的提升。基于短路故障后電流迅速上升、故障電流變化率會發(fā)生突變的特性，可以通過檢測短路故障后電流變化率的值提前預知故障狀態(tài)，從而提升電路的動態(tài)響應能力，進一步提高本安電源的輸出功率。

故障電流變化率檢測電路如圖8所示。運算放大器A3和電阻R21，R22構成同相放大電路，用來放大電壓信號。運算放大器A4，A5與電阻R23—R25和電容C15構成逆函數(shù)型微分檢測電路，用來將運算放大器A3輸出的信號轉換成微分信號。微分檢測電路的輸出信號u3接比較器A6反相輸入端。當本安電源正常運行時，負載電流is保持恒定不變，微分檢測電路幾乎零輸出；當本安電源發(fā)生短路故障時，is迅速上升，微分檢測電路輸出為

(7)

圖8 故障電流變化率檢測電路Fig.8 Detection circuit of fault current change rate

當微分檢測電路輸出u3大于設定閾值Vth時，A6輸出低電平，主電路開關管截止，本安電源對外無輸出。

當主電路發(fā)生短路故障時，傳統(tǒng)本安電源短路保護電路直接將采樣電阻Rs兩端電壓連接到比較電路，當電路發(fā)生嚴重短路故障后，比較器輸出狀態(tài)發(fā)生變化并觸發(fā)自恢復電路，通過驅動電路關斷開關器件以達到保護的效果。傳統(tǒng)本安電源短路保護方法結構簡單，成本低廉，但采樣檢測時間較長，實時性較差，動態(tài)響應較慢，發(fā)生短路后電流要達到預設的數(shù)值才能觸發(fā)驅動電路動作，不能迅速切斷回路，從而限制了本安電源輸出功率的提升。

本文通過故障電流變化率檢測電路繼續(xù)對Rs兩端電壓u2進行放大微分處理，電路輸出u3為短路電流的微分函數(shù)。當u3大于設定閾值時，判定主電路發(fā)生短路故障，自恢復電路和驅動電路快速切斷主回路。故障電流變化率檢測電路故障檢測速度快，能夠在發(fā)生短路故障的初始階段故障電流變化率急劇增大時迅速實現(xiàn)故障檢測。

4.3 自恢復電路與驅動電路

自恢復電路與驅動電路如圖9所示。自恢復電路由555定時器P3、電阻R26及電容C16，C17組成，驅動電路由電阻R27—R32、電容C18、三極管Q4—Q6及P溝道MOS管Q3組成。當電路發(fā)生輸出故障時，比較器翻轉，輸出低電平。555定時器接收到低電平信號即故障信號后，輸出由低電平翻轉為高電平并開始計時。此時Q4，Q5導通，電容C18通過Q4迅速釋放儲存的能量，Q6基極電壓降低關斷，開關管Q3柵極電壓上升關斷，進而關斷整個電路。定時器計時達到設定時間后嘗試重啟電路，若故障消失,則比較器輸出低電平，電路重新導通；若故障仍然存在,則電路再一次關斷并重新計時，直至故障清除。

圖9 自恢復電路與驅動電路Fig.9 Self-recovery circuit and drive circuit

4.4 軟啟動電路

本安電源啟動時，主電路中的電流突然從零開始上升，啟動瞬間的電流變化率過大可能會造成故障電流變化率檢測電路誤將啟動電流當作短路電流，造成誤動作，導致本安電源無法啟動。因此，在本安保護電路中設置軟啟動電路十分必要。

軟啟動電路由P溝道MOS管Q7、電阻R33、R34和電容C19構成，如圖10所示。本安電源啟動時，輸入電壓Vi通過電阻R34對電容C19進行充電， C19兩端的電壓緩慢上升；當C19兩端電壓達到R33上的分壓時，充電結束。C19兩端電壓接到Q7的柵極與源級之間，電壓緩慢上升，Q7由截止區(qū)到恒流區(qū)再到飽和區(qū)，其在恒阻區(qū)時能夠起到較好的軟啟動作用[16]。

圖10 軟啟動電路Fig.10 Soft start circuit

5 大功率本安電源性能測試

為驗證大功率本安電源的性能，搭建了如圖11所示的本安性能測試平臺。

圖11 本安性能測試平臺Fig.11 Intrinsically safe test platform

本安電源常規(guī)性能測試結果見表3。從表3可看出，輸入交流電壓在90～265 V波動時，本安電源功率因數(shù)不小于0.96，輸出直流電壓紋波在20 mV以內，電源效率在85%以上。

表3 本安電源常規(guī)性能測試結果Table 3 Routine performance test results of intrinsically safe power supply

本安電源本安保護性能測試結果如下：額定輸出電壓為12.0 V，額定輸出電流為2.0 A，過壓保護值為12.2 V，過流保護值為2.1 A，保護性能良好。

根據(jù)GB 3836.4—2010《爆炸性環(huán)境 第4部分：由本質安全型“i”保護的設備》規(guī)定[14]，具有設備規(guī)定保護等級的電路輸出電壓穩(wěn)定后應不能引起點燃，另外，當電路故障引起急劇短路時，短路瞬間所釋放的能量應不超過下列響應設備類別的規(guī)定值：ⅡC類設備為20 μJ，ⅡB類設備為80 μJ，ⅡA類設備為160 μJ，Ⅰ類設備為260 μJ。

根據(jù)上述規(guī)定，對本安電源樣機進行短路實驗，得到如圖12所示的短路輸出電流和短路輸出電壓波形。根據(jù)圖12所示波形,通過式(4)可近似計算出短路瞬態(tài)輸出能量為65 μJ，滿足設計要求。

圖12 短路實驗電流和電壓波形Fig.12 Current and voltege waveforms of short circuit test

6 結論

(1) 將本安電源等效為EC電路，分析了EC電路短路故障特性，得出在本安電源發(fā)生短路故障的初始階段，火花放電電流迅速上升，電流變化率會發(fā)生突變。通過故障電流變化率檢測，可在發(fā)生短路故障的初始階段切斷輸出回路，提高電路的動態(tài)響應性能，加快保護速度，進一步提高本安電源的輸出功率。

(2) 大功率本安電源包括開關電源和本安保護電路2個部分。開關電源采用反激變換結構，提高了整機的轉換效率，減小了負載效應，為本安保護電路設計奠定基礎。本安保護電路基于故障電流變化率來限制火花放電的能量，能夠快速準確檢測本安電源輸出故障，顯著提高本質安全性能。

(3) 本安電源樣機性能測試結果表明，交流輸入電壓在90～265 V波動時，本安電源功率因數(shù)不小于0.96，輸出直流電壓紋波在20 mV以內，電源效率在85%以上。短路實驗結果表明，本安電源在發(fā)生短路故障后的瞬態(tài)輸出能量為65 μJ，滿足設計要求。