齊納安全柵瞬態(tài)效應(yīng)的測(cè)試系統(tǒng)

高杰敏　徐建平

(上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院1，上?！?00093；上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究院2，上?！?00233)

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齊納安全柵瞬態(tài)效應(yīng)的測(cè)試系統(tǒng)

高杰敏1徐建平2

(上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院1，上海200093；上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究院2，上海200233)

針對(duì)傳統(tǒng)安全柵測(cè)試評(píng)估手段的不完善，為滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中二極管安全柵的型式試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一種齊納安全柵瞬態(tài)效應(yīng)的測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)以齊納二極管為研究對(duì)象，從本質(zhì)安全的角度，分析了運(yùn)行在最不利條件下的齊納二極管預(yù)先擊穿時(shí)間。通過(guò)試驗(yàn)確定脈沖電流的寬度與幅值；以絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)為核心元件，并采用大電容儲(chǔ)能網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)了脈動(dòng)電流源。實(shí)踐表明，該測(cè)試技術(shù)有效地驗(yàn)證了安全柵承受瞬態(tài)效應(yīng)，為確保防爆安全提供依據(jù)。

安全柵齊納二極管瞬態(tài)效應(yīng)本質(zhì)安全防爆安全預(yù)先擊穿時(shí)間脈沖電流脈寬IGBT

0　引言

近年來(lái)，隨著大型現(xiàn)代化鋼鐵、煤炭、石油化工企業(yè)的高速發(fā)展，以及自動(dòng)化程度的不斷提高，在涉及爆炸性物質(zhì)的生產(chǎn)、運(yùn)輸、加工處理以及儲(chǔ)存等過(guò)程中，都存在爆炸危險(xiǎn)性。在本安防爆技術(shù)中，安全柵作為一種典型、常見的關(guān)聯(lián)設(shè)備，能夠隔離危險(xiǎn)區(qū)域與安全區(qū)域，有效地保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及人員的安全。目前，國(guó)內(nèi)的安全柵發(fā)展速度較快，模擬信號(hào)用安全柵、開關(guān)/數(shù)字信號(hào)用安全柵、帶通信功能(HART)的安全柵、適合現(xiàn)場(chǎng)總線的安全柵都有長(zhǎng)足的發(fā)展。若考慮結(jié)構(gòu)形式，安全柵可以廣義地分為齊納安全柵和隔離安全柵。齊納安全柵又稱二極管安全柵，它的原理簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，但是它對(duì)電源影響較大，同時(shí)也容易因電源的波動(dòng)而造成自身的損壞。因此，二極管安全柵的安全性能有待提高。本文針對(duì)二極管安全柵的型式試驗(yàn),即齊納安全柵的瞬態(tài)效應(yīng)，進(jìn)行測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析。

1　二極管安全柵

1.1二極管安全柵結(jié)構(gòu)

二極管安全柵的典型電路如圖1所示。它由快速熔斷器(FU)、限壓二極管(齊納二極管VD1、VD2)和限流元件(R1、R2)構(gòu)成。

圖1　二極管安全柵典型電路

安全柵本安端子與非本安端子間的距離應(yīng)不小于50 mm。二極管安全柵應(yīng)設(shè)有兩個(gè)接地端子，其截面積不小于4 mm2。非接地的安全柵端子應(yīng)有防護(hù)罩。二極管安全柵電路元器件應(yīng)依次排列，并用環(huán)氧樹脂澆封在外殼中[1]。

二極管安全柵的安全保護(hù)作用，實(shí)際上是運(yùn)用齊納二極管的分流作用以及電阻的限流作用，對(duì)輸入的能量進(jìn)行限制，以確保本安回路的安全性。

1.2二極管安全柵型式試驗(yàn)內(nèi)容

GB 3836.4-2010中的10.8對(duì)型式試驗(yàn)有相應(yīng)規(guī)定。

制造商數(shù)據(jù)表明,當(dāng)該電流下預(yù)先擊穿時(shí)間大于50 μs時(shí)，該電流脈沖寬度將變成實(shí)際預(yù)先擊穿時(shí)間。當(dāng)實(shí)際預(yù)先擊穿時(shí)間不可能從制造商獲得現(xiàn)成數(shù)據(jù)時(shí)，10只熔斷器應(yīng)承受上述預(yù)期電流，并測(cè)定預(yù)先擊穿時(shí)間。該值應(yīng)大于50 μs[2]。

2　測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本文設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)示意圖

市電輸入經(jīng)過(guò)隔離變壓和整流濾波后，得到平滑的直流高電壓，然后給儲(chǔ)能電路充電。與此同時(shí)，脈沖發(fā)生電路產(chǎn)生滿足試驗(yàn)要求的脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)脈沖驅(qū)動(dòng)電路放大后使其能夠驅(qū)動(dòng)高速開關(guān)電路。儲(chǔ)能電路在達(dá)到臨界電壓后，便可在高速開關(guān)電路開通的瞬間產(chǎn)生脈沖電流，對(duì)負(fù)載進(jìn)行試驗(yàn)。

3　工作原理

3.1充電電路

在防爆認(rèn)證體系中，二極管安全柵設(shè)計(jì)的輸入通常為24 V，但是在電路考核時(shí)是按輸入電壓的最不利條件考慮的。在型式試驗(yàn)要求中，輸入電壓應(yīng)為峰值電壓Um。GB 3836.1-2010的中3.15.11規(guī)定，最高電壓(交流有效值或直流值)Um是可施加到關(guān)聯(lián)設(shè)備的非限能連接裝置上，且不會(huì)使防爆型式失效的最高電壓[3]。不同的連接裝置，其Um也不相同。所以，當(dāng)輸入市電220 V電壓后，經(jīng)過(guò)變壓器產(chǎn)生多個(gè)工作電壓，如110 V、180 V、250 V等。通過(guò)旋轉(zhuǎn)開關(guān)調(diào)節(jié)選擇相應(yīng)的電壓檔；之后加到全橋整流電路上輸出直流電壓，通過(guò)充電電阻給儲(chǔ)能電路充電。充電電路還包括檢測(cè)電路和保護(hù)電路。檢測(cè)電路如圖3所示。

圖3　檢測(cè)電路

檢測(cè)電路主要由開關(guān)S1、光耦O1、三極管Q1、繼電器G以及穩(wěn)壓管支路等組成。根據(jù)充電電路中不同的工作電壓，同步選擇不同的穩(wěn)壓管支路導(dǎo)通，確保實(shí)現(xiàn)負(fù)載所需的電壓檔。當(dāng)儲(chǔ)能電路上的電壓達(dá)到臨界電壓后，檢測(cè)電路中的穩(wěn)壓管導(dǎo)通，通過(guò)光耦O1控制三極管Q1導(dǎo)通，使得繼電器G工作切斷充電電路，充電過(guò)程結(jié)束。當(dāng)儲(chǔ)能電路充電后長(zhǎng)時(shí)間不用時(shí)，可通過(guò)保護(hù)電路手動(dòng)將儲(chǔ)能電路上的能量釋放，避免儲(chǔ)能電路因長(zhǎng)時(shí)間處于高壓狀態(tài)而導(dǎo)致元器件損壞。

3.2儲(chǔ)能電路

為了在一定電壓下獲得盡可能大的電流，本設(shè)計(jì)通過(guò)若干電容器并聯(lián)放電。儲(chǔ)能電路就是RC充放電電路，由充電限流電阻、放電限流電阻和儲(chǔ)能電容組成。

對(duì)于任意時(shí)刻t，電容電壓Ut為：

Ut=Um(1-e-t/RC)

(1)

由式(1)可得，當(dāng)t=3RCCx時(shí)，Ut近似為Um。相似地，放電時(shí)間Tf=3RfCx。值得注意的是，儲(chǔ)能電路的放電時(shí)間應(yīng)大于試驗(yàn)需要的脈沖電流持續(xù)時(shí)間，這樣才能實(shí)現(xiàn)5次連續(xù)脈沖的輸出。

3.3高速開關(guān)電路

本設(shè)計(jì)中，高速開關(guān)電路開通時(shí)間決定了所產(chǎn)生的脈沖電流脈寬。而高速開關(guān)電路選擇絕緣柵雙極型晶體管(insulated-gate bipolar transistor，IGBT)作為核心元件。IGBT綜合了雙極型三極管BJT和絕緣柵型場(chǎng)效應(yīng)管MOS兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓降低，且開關(guān)速度高、開關(guān)損耗小，能夠滿足高速、大功率的輸出要求。整個(gè)系統(tǒng)的輸出電路如圖4所示。圖4中，齊納二極管即為測(cè)試的負(fù)載。

圖4　輸出電路

3.4脈沖發(fā)生電路

脈沖發(fā)生電路采用555電路構(gòu)建的多諧振蕩器來(lái)產(chǎn)生矩形脈沖方波。由R1、R2、R3構(gòu)成外圍電路，通過(guò)調(diào)節(jié)電阻R1、R2和電容C1的大小，可以調(diào)節(jié)產(chǎn)生矩形脈沖的寬度和頻率。

通過(guò)試驗(yàn)可知，由555電路產(chǎn)生的脈沖方波并不能滿足試驗(yàn)的要求。因此，在脈沖產(chǎn)生電路后需要進(jìn)行脈沖整形。脈沖整形利用74LS123電路組成的單穩(wěn)態(tài)電路，對(duì)矩形脈沖方波進(jìn)行脈寬成型。通過(guò)定時(shí)電阻Rw和外接電容Cw來(lái)控制脈沖的寬度[4]。

3.5報(bào)警電路

整個(gè)系統(tǒng)還包含了報(bào)警電路(如圖4中的蜂鳴器)。當(dāng)輸出端接線柱接入負(fù)載時(shí)，若二極管DX承受住脈沖試驗(yàn)而沒有損壞，蜂鳴器不工作、不報(bào)警。此時(shí)，當(dāng)IGBT導(dǎo)通時(shí)，三極管Q4導(dǎo)通，使得三極管Q5基極與發(fā)射極間電壓為0，Q5處于截止區(qū)，蜂鳴器不工作。若二極管DX因承受不住脈沖試驗(yàn)而損壞，蜂鳴器則會(huì)高頻報(bào)警。因?yàn)橐话闱闆r下，二極管DX在過(guò)流時(shí)會(huì)燒壞PN結(jié)形成開路，在過(guò)壓時(shí)擊穿PN結(jié)形成短路。而在過(guò)壓擊穿形成短路后，二極管DX上的電流大于極限值，會(huì)燒壞PN結(jié)形成開路。所以此時(shí)三極管Q5導(dǎo)通，蜂鳴器高頻報(bào)警以提示輸出端接線柱帶高壓電，必須等輸出開關(guān)切斷，無(wú)報(bào)警信號(hào)方可對(duì)輸出端進(jìn)行操作。

此外，當(dāng)輸出端接線柱未接入負(fù)載時(shí)，若由于誤操作，閉合了輸出開關(guān)S5，則此時(shí)和二極管DX損壞時(shí)的情況相同，輸出端接線柱帶高壓電，蜂鳴器高頻報(bào)警。此時(shí)不可接入負(fù)載，以確保人身及設(shè)備安全。

4　算例分析

4.1參數(shù)設(shè)計(jì)

4.1.1脈沖發(fā)生器

型式試驗(yàn)要求的振蕩周期為20 ms、充電時(shí)間為15 ms、放電時(shí)間為5 ms，則振蕩周期T、電容充電時(shí)間T1、電容放電時(shí)間T2分別為：

T=0.69(R1+2R2)C1=20ms

(2)

T1=0.69(R1+R2)C1

(3)

T2=0.69R2C1

(4)

取C1為4.7μf，則R2為1.5kΩ、R1為3kΩ。

4.1.2脈寬成型

型式試驗(yàn)要求的最小電流脈寬為50μs。而脈寬tw由電阻Rw和電容Cw來(lái)控制[5]。根據(jù)型式試驗(yàn)要求，當(dāng)Cw>1 000pf時(shí)，脈寬為:

tw=4.5RwCw

(5)

取Cw為10 μf，則Rw約為10 kΩ。調(diào)節(jié)電阻Rw，可調(diào)節(jié)脈寬大小。

4.1.3IGBT模塊選型

根據(jù)承受電壓和通態(tài)電流這兩個(gè)參數(shù),來(lái)選擇IGBT模塊。

①IGBT模塊額定電壓。

IGBT集電極與發(fā)射極間的穩(wěn)態(tài)最大電壓為：

(6)

式中：a為電網(wǎng)波動(dòng)值，為10%；k為安全裕量，為1.1；Um為峰值電壓[6]。

經(jīng)計(jì)算，當(dāng)Um取最大值250V時(shí)，Ucemax=430V。

在實(shí)際的工作電路中，需要考慮到電網(wǎng)波動(dòng)、過(guò)載、開關(guān)過(guò)程引起的電壓尖峰等因素，因此通常電力電子設(shè)備選擇IGBT器件耐壓都是直流母線電壓的1.5倍至2倍。

②IGBT模塊通態(tài)電流。

(7)

式中：η為電流的效率，為0.9;D為占空比，取最大值0.9;Umin為整流輸出最小電壓；P0為輸出功率。

經(jīng)計(jì)算，當(dāng)Umin為225V時(shí)，Icm=160A。

考慮到1.5倍以上的安全裕量，可以選擇300A的IGBT模塊。

4.1.4脈沖電流的幅值與脈寬

根據(jù)力特AxialLead&CartridgeFuses的219系列，選擇額定電流In為0.1A的熔斷器進(jìn)行脈沖寬度的計(jì)算。

①脈沖電流峰值:

(8)

②熔化熱能值:

I2t=41.542×41.542×t=0.079A2s

(9)

③預(yù)飛弧時(shí)間:

(10)

由試驗(yàn)要求可知，已知熔斷器的預(yù)飛弧時(shí)間，便可得脈沖電流的寬度。經(jīng)計(jì)算，t<50μs，所以脈動(dòng)電流源產(chǎn)生的脈沖電流的寬度為50μs。若計(jì)算后，t>50μs,則應(yīng)調(diào)整脈沖電流的寬度[7]。

4.2仿真結(jié)果

圖5為脈寬成型后的脈沖波形。

圖5　脈沖發(fā)生信號(hào)波形

由圖5可見，此時(shí)的脈沖信號(hào)幅值為12V，振蕩周期為20ms，脈沖寬度為50μs。

首先，在multisim中繪制測(cè)試系統(tǒng)電路圖，各元器件的參數(shù)值依據(jù)4.1節(jié)進(jìn)行設(shè)置。最后將各元器件連入TektronixOscilloscope進(jìn)行仿真觀察。

由于TektronixOscilloscope只能顯示電壓波形，所以需要在高速開關(guān)電路中串聯(lián)一個(gè)電流表，顯示脈沖電流峰值。高速開關(guān)電路中輸出的脈沖波形如圖6所示。

圖6　脈沖輸出波形

由圖6可見，測(cè)試系統(tǒng)最終輸出的脈沖波形光滑、無(wú)振蕩，振蕩周期為20ms，脈寬接近為50μs。而且此時(shí)電流表顯示的脈沖電流幅值為40.789A，仿真結(jié)果基本符合公式理論的計(jì)算結(jié)果，可滿足型式試驗(yàn)的要求。

5　結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)我國(guó)安全柵種類繁多而測(cè)試評(píng)估手段不完善的局面，本文設(shè)計(jì)了一種滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)二極管安全柵型式試驗(yàn)的測(cè)試系統(tǒng)。該測(cè)試系統(tǒng)有效地驗(yàn)證了二極管安全柵的安全性能指標(biāo)，同時(shí)它具有保護(hù)電路和報(bào)警電路等完善的保護(hù)措施，確保了設(shè)備以及人身安全。本文通過(guò)分析二極管安全柵的脈沖試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)為安全柵檢驗(yàn)提供了一種有效的方法，為確保防爆安全提供了有利的依據(jù)。

[1] 徐建平.“防爆安全技術(shù)”講座:安全柵與安全儀表安全參數(shù)的確定[J].自動(dòng)化儀表，2008，29(12):75-79.

[2] 國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB3836.4-2010 爆炸性環(huán)境第4部分：由本質(zhì)安全型“i”保護(hù)的設(shè)備[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

[3] 國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB3836.1-2010 爆炸性環(huán)境第1部分：設(shè)備通用要求[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

[4] 馬天翔.50A大功率脈沖恒流源技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[D].吉林:吉林大學(xué)，2012.

[5] 趙娟，賈興，朱利君，等.15A大負(fù)載連續(xù)脈沖電流源[C]//全國(guó)第二屆特種電源與元器件學(xué)術(shù)年會(huì)論文集，2002.

[6] 楊勝.大功率高頻微秒級(jí)脈沖電流源的研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué)，2012.

[7] 張曦，李長(zhǎng)坤.二極管安全柵和安全分流器的型式試驗(yàn)探討[J].電氣防爆，2010，2(8):41-42.

Test System for Transient Effects of Zener Safety Barrier

Aiming at the shortages of traditional test and evaluation method for safety barriers,and for achieving the type test of diode safety barrier in accordance with the national standard,a novel test system for the transient responses of Zener safety barrier is designed.For intrinsic safety,the system takes the Zener diode as the research object; the pre-breakdown time of Zener diode under the worst conditions is analyzed.Through experiments,the width and amplitude of the pulse current are determined,insulated-gate bipolar transistor(IGBT) is selected to be the core component,and the pulse current source is designed by adopting large capacitance energy storage network.The practice shows that the test technology effectively verifies the safety barriers can bear transient effects,and provides basis of ensuring explosion-proof safety.

Safety barrierZener diodeTransient effectIntrinsic safetyExplosive-proof safetyPre-breakdown timePulse currentPulse widthInsulated-gate bipolar transistor (IGBT)

高杰敏(1992—)，男，現(xiàn)為上海理工大學(xué)控制工程專業(yè)在讀碩士研究生；主要從事本安元器件測(cè)量技術(shù)的研究。

TH7;TP27

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201609019

修改稿收到日期：2016-02-28。