礦用本安開關電源的設計與性能研究

王 笑，余智勇，代創偉

（神木職業技術學院 機電工程系，陜西 神木 719300）

0 引 言

電源屬于電氣設備的心臟，其本安性設計是整個本安系統的基礎。一旦電容出現火花或電感短路時產生電火花，就會導致能量集中釋放。因此，必須要選擇安全等級較高的開關電源，確保運行質量與效率。輸入式整流濾波電路是整個供電系統中存儲能量較大的組成部分，通過注重本安電源電路管理，提高供電系統運行質量[1-3]。

1 本安開關電源的特點

由于煤礦井本安開關是在比較特殊的情況下作業，因此其與家用開關存在較大的區別。首先，本安電源開關需要借助合理的方式，限制放電分路火花產生的放射能源，并限制放電電流，控制放電的電壓。其次，保護輸入開關端，進行適當的電氣隔離，本安電路輸入端要與非本安進行安全交流，一同開展高壓電路保護，避免出現輸入相串的情況，展現隔離電路保護的多元化。因此除了要求本安開關電源具備很寬的輸入和電壓區間，還應該要求保護電源在正常工作時具備較高的可靠度，并不斷縮減體積，確保在故障下可自行恢復。

2 本安型開關電源技術性能要求

開關工作在易燃易爆的高危險環境中，與一般的地暖開關相比具有更高的特殊要求，其技術性能要求如下。

2.1 輸入和外部輸出端之間必須注意做到內部電氣完全隔絕

一般情況下，本安型直流開關電源的交流輸入端屬于交流輸入高壓端，安全性能較好，而其直流輸出輸入側能量對應于非本安型直流高壓輸出能量。為了有效防止其直流輸入輸出側內的能量通過轉移推進至非本安端，影響本安型開關電源的安全性直流輸出性能，要求其電源輸入和輸出之間必須進行電氣電阻隔離。電氣電阻隔離組成包括電氣變壓器電阻、電壓隔離、繼電器、安全柵電阻隔離及各種光電耦合器[4]。

2.2 輸出必須正確設置好作為具有限流功能電流保護輸出電路

本安安全型直流高壓開關電源和普通直流高壓開關電源的主要區別之處在于，在開關電路可能發生開關故障時，本安安全型直流高壓開關電源將出現火花，所需要釋放出來的最大能量電流控制在一定安全能量范圍內。對于那些輸出電路功率小，并且需要無恒流電壓穩定的電路，要求所需的直流穩壓開關電源具備高輸出特點，可直接在一個輸出輸入端內部連接限流穩壓電阻，或者通過增大任一開關電源內部的限流外阻容量，降低輸出控制電路最低限能，保證電源高輸出。而對于那些輸出電路功率較小，為保證所需的各種本安型直流穩壓開關電源滿足恒流電壓穩定的高輸出要求，不僅需要具備恒流穩壓或者恒流限壓及約束和控制恒流短路功能，還要保證電流過載或者存在限壓短路，且可快速控制切斷超負荷過流電壓等。依據安全保護措施，減少控制電路輸出能量，保證開關電源能夠滿足各種本安上安全和穩定的高性能輸出要求。過載整流減壓保護控制電路的過載整流減壓保護方式包括3類，分別為三級限流型、截流型以及三級減壓過載電流型。這3類可以廣泛應用于不同的過流保護控制電路，但均需嚴格要求其過流保護電路動作快且穩定，并必須具有良好的保護性能[5]。

3 本安電源的整體設計

3.1 建筑工程框架總體設計結構總體設計

現在的直流電氣設備大多數直接采用非線性的直流電源變壓方式，保障直流電源基本安全。對直流變壓器電源進行直流變壓，經過變壓之后，濾波整流回路的波形與電路輸出電壓數值波形相近，經過直流穩壓回路，確保電壓輸入與輸出的穩定性。采用超高電壓限流電能比保護直流電路，安全輸入本安直流輸出電壓[6]。

該框架結構設計不需要先進行變壓器電容量降低處理，基于整流式濾波電路獲得一個更加接近直流的電壓，這一方式主要是由變換器電路內的分壓電阻和基準電壓形成反饋實現。通過達到一個接近直流的電壓，基于DC/DC變換器控制輸出電壓。PWM控制器能夠實現對電壓與電流的雙閉環控制，可提升電壓的自動調整速度及負載自動調整速度，此外借助整流濾波電路可開展對第二級過濾電壓的協同保護。

3.2 輸入整流濾波器的電路

該電路的設計需要大容量的電容支持，與整流器并聯，存在于輸入端與負載端之間。通過檢測電路的狀態，檢測電容的直流電壓等，依據產生不同的特性獲得最佳的直流電壓。該電路損失因數相對較低，設計的優越性較強。所設計的輸入整流濾波電路在普通電路的基礎上進行改良，改良內容主要包括在原本電路基礎上添加電容器和二極管，可供選擇的連接方式為串聯或并聯。輸入整流濾波器的電路如圖1所示。

圖1 輸入整流濾波器的電路

在電容C2和濾波電容C3內串聯電阻R2與R3，對比改進之后的電路與普通電路，增加了導通多角度，改善電流的波形，提升功率因數。開關電阻的串聯形式限制了開關電容器所放電的能量，使得此類電路更好地保護了開關電源的實際安全[7]。

3.3 主要電路和控制系統選擇

電流式PWM控制技術選擇的是典型的閉環式控制系統，可彌補電壓控制缺陷，穩定性與輸入電壓調節效果較好，限流功能比較明顯，可瞬態響應特性，同時能夠實現效率的線性調節，且不會受到任何電感的影響，信號輸出較好。本文選擇的是電流型PWM控制技術，以此實現對電路的系統性控制，控制系統內只需要借助一個芯片與電器元件連接，就能夠實現雙閉環的控制，共同控制電流與電壓，以此精準地簡化電源設計，提供最佳解決方案，減少運行成本。

3.4 設計自動反饋控制電路

這種開關電源多數器件采用了由光耦器件組成的電壓反饋控制通道。光耦元件表示一種實現線性電子和其他電子之間快速轉換的電子元件，可以分為非線性和線性兩種，具體如圖2所示。

圖2 非線性以及線性光耦元件

圖2中，線性光耦將普通光耦的單發單收模式稍加改變，增加用于反饋的光接收電路，電流傳輸特性曲線接近直線，具備高性能小信號特點，能以線性特性進行隔離控制。非線性光耦的電流傳輸特性曲線是非線性的，這類光耦適合于開關信號的傳輸，不適合傳輸模擬量。電流傳輸特性曲線如圖3所示。

圖3 電流傳輸特性曲線

線性光耦電流傳輸特性曲線直線部分比較長，電流傳輸比較為穩定，非線性光耦則很短。由于在電源振蕩器的波形上直接使用非線性的電光耦合器，會直接導致電源振蕩器的波形性能發生較大變化，因此建議選用非線性的電光耦合器來直接控制電源反饋控制通道。非線性電光耦合器和非線性電源穩壓管能夠隔離直流開關電源的信號輸出、電源輸入以及兩者之間的電氣信號。在此基礎上建設起來的電源反饋控制通道能夠避免發生電源占空現象，可有效提升功率的穩定性，應用優勢顯著[8]。選擇這類安全設計能夠順應時代潮流，提升無線開關電源在線安全性能，凸顯其本安開關價值。為避免三級連接管上的開關電源受到連接電路、電源短路、開關電流加速以及電壓增加等因素影響，產生開關電路被堵和開關電路燒毀等異常現象，需要截止電路異常工作和電源短路線路中異常的三極管QA，電路經過整流器后繼續整流，經過后續的三相穩壓器整流，直接構建穩定的三相交流電。如此，便可確保其后續驅動電路控制系統發揮價值，實現長期且有效的控制。

該裝置本身就是一種安全的線路內交流開關電源，設計過程中增加了過電交流電壓保護和過電流保護電路。當過流電壓得到保護后，電路能夠在一個后續的中斷電路中正常工作運行，DZ和SCR是完全被動截止的。電路中中斷輸出的一個直流輸出電壓，可能會被動或間接地中斷提供。如果一個DZ容器輸出的直流充電截止電壓出現下降，那么DZ就可能會一直處于導線接通截止狀態，電容器也可能會一直處于充電截止狀態。因為沒有完全遵守規定工作截止條件，所以DR和SCR的狀態一直保持實施電流的截止狀態。若是控制的輸出電壓與輸入電壓超過18.7 V的設定數值，那么DZ會自動轉變為導線的接通狀態，若達到了電路門極的自動出發輸出電流的額定工作保護條件，SCR則會自動導通，電路自動停止控制輸入、輸出的電壓，以此實現電源啟動器的保護，促使電源開關的狀態正常，激發線路的保護功能。開關電源的基本硬件結構設計如圖4所示。

圖4 開關電源的基本硬件結構設計框圖

按照該控制電路的基本結構設計框圖，重新設計了一個用于輸入電源整流器和濾波器的控制電路。通過對比兩種電壓型及PWM和兩種電流型及PWM電源控制系統技術的不同優缺點后，選用了兩種電流型及PWM電源控制系統技術方案來設計一種以電源主控制電路設計為技術基礎的電源控制管理系統。分別設計了過載反饋控制電路、過載整流及過載穩壓電路保護控制電路，簡化了開關電源的基本設計方案、減少了電源生產成本，并在基礎應用條件下，使開關電源性能可以直接達到一種技術本安上更加安全的電源性能控制要求[9]。

3.5 穩定性概念及判據

在自控原理的基礎上可知，就控制系統而言，其最為主要的就是要將系統穩定性問題解決，確保工作的順利開展。穩定性指的是將系統外作用去除之后，可執行恢復，系統自身擁有固定的特性，其與系統的結構、系統的參數有關聯，與初始條件和外作用力無任何的關系[10]。

系統特征方程各項系數構成的主要列式為△n，其獲得的數值均為正。由此可得，對于n≤3的線性系統，其穩定的充要條件還可以表示為：n=2時，特征方程的各項系數為正；n=3時，特征方程的各項系數為正且a1a2-a0a3＞0。Buck變換器穩定性模型詳如圖5所示，其最開始設置的是變換器工作連續導電模式（CCM）下，電感是線性未飽和，開關周期為TS。

圖5 buck變換器穩定性模型

4 結 論

通過詳細分析一個開關電源的基本硬件結構設計框圖，按照該控制電路的基本結構設計框圖分別重新設計了一個用于輸入電源整流器和濾波器的控制電路。選用了兩種電流型及PWM電源控制系統技術方案來設計一種以電源主控制電路設計為技術基礎的電源控制管理系統。分別設計了過載反饋控制電路、過載整流及過載穩壓電路保護控制電路，簡化了開關電源的基本設計方案、減少了電源生產成本，并在基礎應用條件下，使開關電源性能可以直接達到一種技術本安上更加安全型的電源性能控制要求。