負(fù)載電阻對(duì)開關(guān)變換器放電特性影響分析

(中國(guó)石油吉林石化分公司乙烯廠，吉林吉林 132000)

0 引言

開關(guān)變換器是安全開關(guān)電源的核心部分，其普遍應(yīng)用于石油、化工、煤炭等危險(xiǎn)場(chǎng)所，本安型防爆類型設(shè)備可以應(yīng)用于0區(qū)，具有高的安全級(jí)別，同時(shí)設(shè)備具有體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn)[2]，所以安全開關(guān)變換器系統(tǒng)一般設(shè)計(jì)為本質(zhì)安全型。但其含有較大容量的儲(chǔ)能元件：電感和電容，在元件出現(xiàn)故障時(shí)，所產(chǎn)生的電火花很容易引起危險(xiǎn)場(chǎng)所的爆炸，因此對(duì)于開關(guān)變換器在電容短路情況下，負(fù)載電阻對(duì)于其放電特性分析是具有重要意義的。

1 開關(guān)變換器結(jié)構(gòu)及工作原理

圖1為開關(guān)變換器系統(tǒng)，一般輸入電源功率較大，不是本安電源，因此在安全區(qū)放安全柵，安全柵通常采用電阻、穩(wěn)壓管和晶體管對(duì)電流和電壓進(jìn)行限制，使本質(zhì)安全開關(guān)變換器的輸入端能量得到限制。若電源是本安型的，則不需要安全柵進(jìn)行控制，可直接接到本質(zhì)安全開關(guān)變換器。

圖1 開關(guān)變換器系統(tǒng)[3]

如下圖2為本質(zhì)安全型開關(guān)變換器結(jié)構(gòu)原理圖，從圖中可以看出存在電感和電容兩種儲(chǔ)能元件，當(dāng)電感斷開或者電容短路時(shí)，電路中能量均會(huì)引起電路產(chǎn)生火花，在危險(xiǎn)場(chǎng)所引起爆炸。截止保護(hù)電路是起到切斷電源輸入，隔離電感和電容作用，從而避免發(fā)生爆炸。

圖2 本質(zhì)安全型開關(guān)變換器結(jié)構(gòu)原理圖

2 電容短路時(shí)能量組成

開關(guān)變換器工作模式分為連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)和不連續(xù)導(dǎo)電模式(DCM), 以Boost 開關(guān)變換器為研究對(duì)象，在連續(xù)導(dǎo)電模式下，圖3為電路，圖4為火花實(shí)驗(yàn)時(shí)斷開和閉合的等效圖。

圖3 Boost開關(guān)變換器電路圖

圖4 火花實(shí)驗(yàn)電路等效圖

當(dāng)閉合時(shí)，短路釋放能量W包括在保護(hù)電路響應(yīng)時(shí)間△t內(nèi)電源和電感向短路出輸送的能量WS、WL，電容儲(chǔ)備的能量WC和負(fù)載電阻在持續(xù)放電時(shí)間內(nèi)消耗的能量WR。

W=WS+WL+WC-WR

(1)

電容器的最大輸出電壓為VO,忽略波紋電壓，則

(2)

電阻在火花放電時(shí)平均電壓值為VH,火花持續(xù)放電時(shí)間為TC則

(3)

在響應(yīng)時(shí)間△t內(nèi)，電源和電感向短路出輸送的能量WS、WL，則轉(zhuǎn)移的最大能量

(4)

式中，ILP(CCM)—短路時(shí)電感電流的穩(wěn)態(tài)值。

因此總能量WCCM為

WCCM=WSL,max+WC-WR

(5)

對(duì)RL求導(dǎo)可得

(6)

將參數(shù)帶入，可得導(dǎo)數(shù)大于零；同理對(duì)電壓求導(dǎo)，導(dǎo)數(shù)也大于零，由此可以推導(dǎo)出總能量隨著負(fù)載電阻(RL)和輸入電壓(Vi)的增加而變大。

同理可以推導(dǎo)Boost 開關(guān)變換器在不連續(xù)導(dǎo)電模式，總能量也符合這一規(guī)律。

3 負(fù)載電阻與短路電流和維持電壓關(guān)系

3.1 簡(jiǎn)單電容電路

圖5為簡(jiǎn)單電容電路圖，其中R0?R,若觸點(diǎn)為晶體管，則電容電壓和短路電流隨時(shí)間變化曲線如圖6所示，短路時(shí)電流瞬間達(dá)到最大，電壓逐漸變小。

圖5 簡(jiǎn)單電容電路圖

圖6 短路放電曲線

若觸點(diǎn)為火花裝置兩極短路，即模擬人為將電容兩極短接，見圖7，由于情況復(fù)雜，可以通過(guò)多次試驗(yàn)獲取短路放電曲線，圖8為相同R(560Ω)和Vi(18V)條件下，電容值不同時(shí)，電壓和電流變化情況，從圖中可以看出，電流出現(xiàn)兩次波峰，第一個(gè)波峰是介質(zhì)被擊穿，電流瞬間變大，電壓急劇變小，此時(shí)溫度迅速上升，空氣爆裂，電極間為負(fù)阻抗；當(dāng)電流上升到最大值，電子碰撞增加，氣體分子電離，產(chǎn)生發(fā)光效應(yīng)，產(chǎn)生火花，電壓繼續(xù)下降，電阻增大，電流變??；此時(shí)火花電阻不變，電流很小，電壓持續(xù)下降，火花維持狀態(tài)；當(dāng)兩極完全閉合，電流瞬間達(dá)到第二個(gè)峰值，電壓下降為零，電容剩余能量為電阻和電極吸收。

圖7 火花裝置兩極短路電路圖

圖8 火花裝置兩極短路放電曲線

綜上分析，能引起爆炸的能量主要是介質(zhì)擊穿和產(chǎn)生火花的階段，即電流的第一個(gè)波峰階段，火花維持階段能量較小，第二個(gè)波峰能量主要被電阻和電極吸收。

3.2開關(guān)變換器電容短路放電特性

與模擬人為將電容兩極短接一樣，采用火花裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，針對(duì)Boost 開關(guān)變換器進(jìn)行分析，圖9為Boost開關(guān)變換器電路圖，RL(36Ω)、Vi(18V)圖10為電容短路放電曲線。

圖9 Boost開關(guān)變換器電路圖

圖10 電容短路放電曲線

圖10與圖8相比較，發(fā)現(xiàn)不同主要在火花維持和火花熄滅階段。規(guī)律一：電阻變小，維持電壓下降變快，這是由于RL很小，火花電阻很大，導(dǎo)致電壓下降很快。規(guī)律二：電阻變小，短路電流下降變快。因此短路電流和維持電壓與負(fù)載電阻RL成正比關(guān)系。

4 結(jié)語(yǔ)

開關(guān)變換器工作模式包括連續(xù)導(dǎo)電模式和不連續(xù)導(dǎo)電模式,電容電路并聯(lián)的負(fù)載電阻是在一定范圍內(nèi)變化的，本文推到了負(fù)載電阻對(duì)于火花點(diǎn)燃能量和短路電流的影響規(guī)律，但是對(duì)于降低開關(guān)變換器火花能量和提高其安全性能方面其他因素還有很多尚需分析。