二極管安全柵檢測用大電流可調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中常用的關聯設備，在其型式試驗時可調脈寬直流脈沖電流源是關鍵設備，對其性能的優劣起著至關重要的評定作用。本文介紹了一種齊納式二極管安全柵檢測可調脈寬大電流直流脈沖電流源，給出了系統總體設計，詳細介紹了推挽電路、脈沖電流源放電電路、脈沖控制信號電路。

關鍵詞：二極管安全柵;推挽電路;放電電路;脈沖控制信號電路

中圖分類號：TN86 文獻標識碼：A 文章編號：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的點火能量即可點燃瓦斯使其爆炸。為了限制煤礦井下設備發生故障或短路時的火花能量，常常采用隔爆或本安電路的設計形式。

安全柵又稱安全限能器、安全保持器，在本安防爆系統中是安裝在安全場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（穩壓二極管），通過限流和限壓的方式限制電路中送往現場本安回路的能量，防止非本安電路的危險能量串入本安電路，是本安系統的重要組成部分。因此，穩壓二極管性能的好壞在電路中起著至關重要的作用。

根據GB3836.04-2010《爆炸性環境第4部分：由本質安全型“i”保護的設備》中第10.8條規定：二極管安全柵或安全分流器需用試驗驗證其能否承受瞬態過程的影響。齊納二極管應能夠承受頻率為50Hz、脈寬為50us的矩形脈沖的沖擊，連續次數不少于5次。因此，大電流可調脈寬直流脈沖電源是其性能測試的必備設備。

1 裝置總體方案設計

系統主要包括四部分：推挽充電電路、電容儲能電路、電流脈沖放電電路、脈沖控制信號，如圖1所示。

推挽充電電路內含有隔離變壓器，在充電瞬間，可以防止供電瞬時電壓對后端電容的沖擊。儲能電路主要由電容構成，用于儲存電能。電流脈沖放電回路在脈沖控制信號到來時可以按要求的瞬間脈沖形狀快速釋放能量給負載。脈沖控制信號電路可以定時發出信號控制放電回路放電。

2 關鍵系統設計

2.1 推挽電路

交流電源整流濾波后施加到由4個MOSFT開關管組成的推挽電路，如圖2所示。T為高頻變壓器，開關管N1和N2為1組，稱為主開關管組;N3和N4為1組，稱為副開關管組;在工作過程當中主開關管組和副開關管組中的開關管分別交替導通，即N1與N2互補導通，N3與N4互補導通。由于施加在兩組開關管控制端信號的頻率不同，即設置buck變換器開關管頻率為推挽級的2倍，從而使開關管按照一定的順序導通。當N1與N3同時導通時，在變壓器的初級端N1、L、N3形成回路，在變壓器的次級端通過二極管D1整流;當N1與N4同時導通時，N1、L、N4形成回路，在變壓器的次級端通過二極管D2整流。通過改變主開關管組控制端的頻率信號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為變壓器匝數比。通過改變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電容儲能網絡后施加到脈沖放電電路，電路原理圖如圖3所示。在電路上設計有三個開關管S5、S6、S7，通過開關管實現不同的控制功能。其中S5為主控制開關，控制主放電回路的通斷;S6、S7為脈沖開關，控制電路中電感的瞬時放電，從而形成脈沖電流。在初始時刻，電容放電網絡有存儲有足夠的能量，當開關管S5、S6同時導通，開關管S7關斷時，電路通過S5、S6、電感L形成回路，此時電感L儲存能量，電感電流持續快速上升，此時負載兩端電壓和電流均為0。

電路中串聯霍爾傳感器實現電流值的測量。當電流達到設定值后，開關管S5、S6同時斷開導通，開關管S7導通，此時電感L、D3、S7和負載形成回路，電感中儲存的能量迅速釋放，從而形成脈沖電流。

2.3 脈沖控制信號電路

脈沖電源的控制邏輯關鍵在于對開關管的控制，使開關管S5-S7按照變換器規律工作，如圖4所示。電路中設計電壓比較器和多個與非門形成時序邏輯控制器。霍爾傳感器的電壓輸出值作為電壓器比較器的負向輸入端，當霍爾傳感器的電壓輸出值小于比較器1正端的電壓最小設定值時，比較器1輸出高電平，比較器2輸出高電平，S5、S6導通，S7斷開。當霍爾傳感器的電壓輸出值大于比較器2正端的電壓最大設定值時，比較器2輸出低電平，S5斷開，S6導通，S7斷開。單片機發出脈沖頻率信號作為控制信號，從而實現脈沖電流的周期性控制。一個脈沖信號結束到下個脈沖來臨之前，S5-S7均處于關斷狀態，此時電感L中的剩余的能量通過D3、C、D4回路將剩余能量給電容充電，負載通過并聯的二極管D5續流。

為了實現脈寬的調整和脈沖個數的限制，通過單片機設置的輸出脈沖來控制IGBT開關管的導通和截止時間以及通斷次數，從而調節輸出脈沖的脈寬，實現20ms脈沖周期和連續脈沖數量的設定。

3 結語

通過對推挽充電電路、脈沖放電電路、脈沖控制信號等電路的研究，通過Multisim軟件仿真驗證，該設計達到了預期目的，能夠形成一套電流、脈寬可調，脈沖數固定，大電流的符合GB3836的二級管試驗用直流脈沖電源，對實際電路的制作起到了指導性作用。