二極管安全柵檢測(cè)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(yàn)時(shí)可調(diào)脈寬直流脈沖電流源是關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)其性能的優(yōu)劣起著至關(guān)重要的評(píng)定作用。本文介紹了一種齊納式二極管安全柵檢測(cè)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(jì)，詳細(xì)介紹了推挽電路、脈沖電流源放電電路、脈沖控制信號(hào)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(hào)電路

中圖分類(lèi)號(hào)：TN86 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(diǎn)火能量即可點(diǎn)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(shí)的火花能量，常常采用隔爆或本安電路的設(shè)計(jì)形式。

安全柵又稱(chēng)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(chǎng)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(guò)限流和限壓的方式限制電路中送往現(xiàn)場(chǎng)本安回路的能量，防止非本安電路的危險(xiǎn)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(hù)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(yàn)驗(yàn)證其能否承受瞬態(tài)過(guò)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(cè)試的必備設(shè)備。

1 裝置總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要包括四部分：推挽充電電路、電容儲(chǔ)能電路、電流脈沖放電電路、脈沖控制信號(hào)，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(shí)電壓對(duì)后端電容的沖擊。儲(chǔ)能電路主要由電容構(gòu)成，用于儲(chǔ)存電能。電流脈沖放電回路在脈沖控制信號(hào)到來(lái)時(shí)可以按要求的瞬間脈沖形狀快速釋放能量給負(fù)載。脈沖控制信號(hào)電路可以定時(shí)發(fā)出信號(hào)控制放電回路放電。

2 關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 推挽電路

交流電源整流濾波后施加到由4個(gè)MOSFT開(kāi)關(guān)管組成的推挽電路，如圖2所示。T為高頻變壓器，開(kāi)關(guān)管N1和N2為1組，稱(chēng)為主開(kāi)關(guān)管組;N3和N4為1組，稱(chēng)為副開(kāi)關(guān)管組;在工作過(guò)程當(dāng)中主開(kāi)關(guān)管組和副開(kāi)關(guān)管組中的開(kāi)關(guān)管分別交替導(dǎo)通，即N1與N2互補(bǔ)導(dǎo)通，N3與N4互補(bǔ)導(dǎo)通。由于施加在兩組開(kāi)關(guān)管控制端信號(hào)的頻率不同，即設(shè)置buck變換器開(kāi)關(guān)管頻率為推挽級(jí)的2倍，從而使開(kāi)關(guān)管按照一定的順序?qū)?。?dāng)N1與N3同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，在變壓器的初級(jí)端N1、L、N3形成回路，在變壓器的次級(jí)端通過(guò)二極管D1整流;當(dāng)N1與N4同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，N1、L、N4形成回路，在變壓器的次級(jí)端通過(guò)二極管D2整流。通過(guò)改變主開(kāi)關(guān)管組控制端的頻率信號(hào)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(guò)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(chǔ)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(jì)有三個(gè)開(kāi)關(guān)管S5、S6、S7，通過(guò)開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)不同的控制功能。其中S5為主控制開(kāi)關(guān)，控制主放電回路的通斷;S6、S7為脈沖開(kāi)關(guān)，控制電路中電感的瞬時(shí)放電，從而形成脈沖電流。在初始時(shí)刻，電容放電網(wǎng)絡(luò)有存儲(chǔ)有足夠的能量，當(dāng)開(kāi)關(guān)管S5、S6同時(shí)導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)管S7關(guān)斷時(shí)，電路通過(guò)S5、S6、電感L形成回路，此時(shí)電感L儲(chǔ)存能量，電感電流持續(xù)快速上升，此時(shí)負(fù)載兩端電壓和電流均為0。

電路中串聯(lián)霍爾傳感器實(shí)現(xiàn)電流值的測(cè)量。當(dāng)電流達(dá)到設(shè)定值后，開(kāi)關(guān)管S5、S6同時(shí)斷開(kāi)導(dǎo)通，開(kāi)關(guān)管S7導(dǎo)通，此時(shí)電感L、D3、S7和負(fù)載形成回路，電感中儲(chǔ)存的能量迅速釋放，從而形成脈沖電流。

2.3 脈沖控制信號(hào)電路

脈沖電源的控制邏輯關(guān)鍵在于對(duì)開(kāi)關(guān)管的控制，使開(kāi)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(jì)電壓比較器和多個(gè)與非門(mén)形成時(shí)序邏輯控制器?；魻杺鞲衅鞯碾妷狠敵鲋底鳛殡妷浩鞅容^器的負(fù)向輸入端，當(dāng)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(shí)，比較器1輸出高電平，比較器2輸出高電平，S5、S6導(dǎo)通，S7斷開(kāi)。當(dāng)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(shí)，比較器2輸出低電平，S5斷開(kāi)，S6導(dǎo)通，S7斷開(kāi)。單片機(jī)發(fā)出脈沖頻率信號(hào)作為控制信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)脈沖電流的周期性控制。一個(gè)脈沖信號(hào)結(jié)束到下個(gè)脈沖來(lái)臨之前，S5-S7均處于關(guān)斷狀態(tài)，此時(shí)電感L中的剩余的能量通過(guò)D3、C、D4回路將剩余能量給電容充電，負(fù)載通過(guò)并聯(lián)的二極管D5續(xù)流。

為了實(shí)現(xiàn)脈寬的調(diào)整和脈沖個(gè)數(shù)的限制，通過(guò)單片機(jī)設(shè)置的輸出脈沖來(lái)控制IGBT開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和截止時(shí)間以及通斷次數(shù)，從而調(diào)節(jié)輸出脈沖的脈寬，實(shí)現(xiàn)20ms脈沖周期和連續(xù)脈沖數(shù)量的設(shè)定。

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)推挽充電電路、脈沖放電電路、脈沖控制信號(hào)等電路的研究，通過(guò)Multisim軟件仿真驗(yàn)證，該設(shè)計(jì)達(dá)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(jí)管試驗(yàn)用直流脈沖電源，對(duì)實(shí)際電路的制作起到了指導(dǎo)性作用。