齐纳安全栅瞬态效应的测试系统

高杰敏　徐建平

(上海理工大学光电信息与计算机工程学院1，上海　200093；上海工业自动化仪表研究院2，上海　200233)



齐纳安全栅瞬态效应的测试系统

高杰敏1徐建平2

(上海理工大学光电信息与计算机工程学院1，上海200093；上海工业自动化仪表研究院2，上海200233)

针对传统安全栅测试评估手段的不完善，为满足国家标准中二极管安全栅的型式试验，设计了一种齐纳安全栅瞬态效应的测试系统。该系统以齐纳二极管为研究对象，从本质安全的角度，分析了运行在最不利条件下的齐纳二极管预先击穿时间。通过试验确定脉冲电流的宽度与幅值；以绝缘栅双极型晶体管(IGBT)为核心元件，并采用大电容储能网络，设计了脉动电流源。实践表明，该测试技术有效地验证了安全栅承受瞬态效应，为确保防爆安全提供依据。

安全栅齐纳二极管瞬态效应本质安全防爆安全预先击穿时间脉冲电流脉宽IGBT

0　引言

近年来，随着大型现代化钢铁、煤炭、石油化工企业的高速发展，以及自动化程度的不断提高，在涉及爆炸性物质的生产、运输、加工处理以及储存等过程中，都存在爆炸危险性。在本安防爆技术中，安全栅作为一种典型、常见的关联设备，能够隔离危险区域与安全区域，有效地保护现场设备及人员的安全。目前，国内的安全栅发展速度较快，模拟信号用安全栅、开关/数字信号用安全栅、带通信功能(HART)的安全栅、适合现场总线的安全栅都有长足的发展。若考虑结构形式，安全栅可以广义地分为齐纳安全栅和隔离安全栅。齐纳安全栅又称二极管安全栅，它的原理简单、价格低廉，但是它对电源影响较大，同时也容易因电源的波动而造成自身的损坏。因此，二极管安全栅的安全性能有待提高。本文针对二极管安全栅的型式试验,即齐纳安全栅的瞬态效应，进行测试系统的设计与分析。

1　二极管安全栅

1.1二极管安全栅结构

二极管安全栅的典型电路如图1所示。它由快速熔断器(FU)、限压二极管(齐纳二极管VD1、VD2)和限流元件(R1、R2)构成。

图1　二极管安全栅典型电路

安全栅本安端子与非本安端子间的距离应不小于50 mm。二极管安全栅应设有两个接地端子，其截面积不小于4 mm2。非接地的安全栅端子应有防护罩。二极管安全栅电路元器件应依次排列，并用环氧树脂浇封在外壳中[1]。

二极管安全栅的安全保护作用，实际上是运用齐纳二极管的分流作用以及电阻的限流作用，对输入的能量进行限制，以确保本安回路的安全性。

1.2二极管安全栅型式试验内容

GB 3836.4-2010中的10.8对型式试验有相应规定。

制造商数据表明,当该电流下预先击穿时间大于50 μs时，该电流脉冲宽度将变成实际预先击穿时间。当实际预先击穿时间不可能从制造商获得现成数据时，10只熔断器应承受上述预期电流，并测定预先击穿时间。该值应大于50 μs[2]。

2　测试系统设计方案

本文设计的测试系统如图2所示。

图2　系统示意图

市电输入经过隔离变压和整流滤波后，得到平滑的直流高电压，然后给储能电路充电。与此同时，脉冲发生电路产生满足试验要求的脉冲信号，经过脉冲驱动电路放大后使其能够驱动高速开关电路。储能电路在达到临界电压后，便可在高速开关电路开通的瞬间产生脉冲电流，对负载进行试验。

3　工作原理

3.1充电电路

在防爆认证体系中，二极管安全栅设计的输入通常为24 V，但是在电路考核时是按输入电压的最不利条件考虑的。在型式试验要求中，输入电压应为峰值电压Um。GB 3836.1-2010的中3.15.11规定，最高电压(交流有效值或直流值)Um是可施加到关联设备的非限能连接装置上，且不会使防爆型式失效的最高电压[3]。不同的连接装置，其Um也不相同。所以，当输入市电220 V电压后，经过变压器产生多个工作电压，如110 V、180 V、250 V等。通过旋转开关调节选择相应的电压档；之后加到全桥整流电路上输出直流电压，通过充电电阻给储能电路充电。充电电路还包括检测电路和保护电路。检测电路如图3所示。

图3　检测电路

检测电路主要由开关S1、光耦O1、三极管Q1、继电器G以及稳压管支路等组成。根据充电电路中不同的工作电压，同步选择不同的稳压管支路导通，确保实现负载所需的电压档。当储能电路上的电压达到临界电压后，检测电路中的稳压管导通，通过光耦O1控制三极管Q1导通，使得继电器G工作切断充电电路，充电过程结束。当储能电路充电后长时间不用时，可通过保护电路手动将储能电路上的能量释放，避免储能电路因长时间处于高压状态而导致元器件损坏。

3.2储能电路

为了在一定电压下获得尽可能大的电流，本设计通过若干电容器并联放电。储能电路就是RC充放电电路，由充电限流电阻、放电限流电阻和储能电容组成。

对于任意时刻t，电容电压Ut为：

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

(1)

由式(1)可得，当t=3RCCx时，Ut近似为Um。相似地，放电时间Tf=3RfCx。值得注意的是，储能电路的放电时间应大于试验需要的脉冲电流持续时间，这样才能实现5次连续脉冲的输出。

3.3高速开关电路

本设计中，高速开关电路开通时间决定了所产生的脉冲电流脉宽。而高速开关电路选择绝缘栅双极型晶体管(insulated-gate bipolar transistor，IGBT)作为核心元件。IGBT综合了双极型三极管BJT和绝缘栅型场效应管MOS两种器件的优点，驱动功率小而饱和压降低，且开关速度高、开关损耗小，能够满足高速、大功率的输出要求。整个系统的输出电路如图4所示。图4中，齐纳二极管即为测试的负载。

图4　输出电路

3.4脉冲发生电路

脉冲发生电路采用555电路构建的多谐振荡器来产生矩形脉冲方波。由R1、R2、R3构成外围电路，通过调节电阻R1、R2和电容C1的大小，可以调节产生矩形脉冲的宽度和频率。

通过试验可知，由555电路产生的脉冲方波并不能满足试验的要求。因此，在脉冲产生电路后需要进行脉冲整形。脉冲整形利用74LS123电路组成的单稳态电路，对矩形脉冲方波进行脉宽成型。通过定时电阻Rw和外接电容Cw来控制脉冲的宽度[4]。

3.5报警电路

整个系统还包含了报警电路(如图4中的蜂鸣器)。当输出端接线柱接入负载时，若二极管DX承受住脉冲试验而没有损坏，蜂鸣器不工作、不报警。此时，当IGBT导通时，三极管Q4导通，使得三极管Q5基极与发射极间电压为0，Q5处于截止区，蜂鸣器不工作。若二极管DX因承受不住脉冲试验而损坏，蜂鸣器则会高频报警。因为一般情况下，二极管DX在过流时会烧坏PN结形成开路，在过压时击穿PN结形成短路。而在过压击穿形成短路后，二极管DX上的电流大于极限值，会烧坏PN结形成开路。所以此时三极管Q5导通，蜂鸣器高频报警以提示输出端接线柱带高压电，必须等输出开关切断，无报警信号方可对输出端进行操作。

此外，当输出端接线柱未接入负载时，若由于误操作，闭合了输出开关S5，则此时和二极管DX损坏时的情况相同，输出端接线柱带高压电，蜂鸣器高频报警。此时不可接入负载，以确保人身及设备安全。

4　算例分析

4.1参数设计

4.1.1脉冲发生器

型式试验要求的振荡周期为20 ms、充电时间为15 ms、放电时间为5 ms，则振荡周期T、电容充电时间T1、电容放电时间T2分别为：

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

(2)

T1=0.69(R1+R2)C1

(3)

T2=0.69R2C1

(4)

取C1为4.7μf，则R2为1.5kΩ、R1为3kΩ。

4.1.2脉宽成型

型式试验要求的最小电流脉宽为50μs。而脉宽tw由电阻Rw和电容Cw来控制[5]。根据型式试验要求，当Cw>1 000pf时，脉宽为:

tw=4.5RwCw

(5)

取Cw为10 μf，则Rw约为10 kΩ。调节电阻Rw，可调节脉宽大小。

4.1.3IGBT模块选型

根据承受电压和通态电流这两个参数,来选择IGBT模块。

①IGBT模块额定电压。

IGBT集电极与发射极间的稳态最大电压为：

(6)

式中：a为电网波动值，为10%；k为安全裕量，为1.1；Um为峰值电压[6]。

经计算，当Um取最大值250V时，Ucemax=430V。

在实际的工作电路中，需要考虑到电网波动、过载、开关过程引起的电压尖峰等因素，因此通常电力电子设备选择IGBT器件耐压都是直流母线电压的1.5倍至2倍。

②IGBT模块通态电流。

(7)

式中：η为电流的效率，为0.9;D为占空比，取最大值0.9;Umin为整流输出最小电压；P0为输出功率。

经计算，当Umin为225V时，Icm=160A。

考虑到1.5倍以上的安全裕量，可以选择300A的IGBT模块。

4.1.4脉冲电流的幅值与脉宽

根据力特AxialLead&CartridgeFuses的219系列，选择额定电流In为0.1A的熔断器进行脉冲宽度的计算。

①脉冲电流峰值:

(8)

②熔化热能值:

I2t=41.542×41.542×t=0.079A2s

(9)

③预飞弧时间:

(10)

由试验要求可知，已知熔断器的预飞弧时间，便可得脉冲电流的宽度。经计算，t<50μs，所以脉动电流源产生的脉冲电流的宽度为50μs。若计算后，t>50μs,则应调整脉冲电流的宽度[7]。

4.2仿真结果

图5为脉宽成型后的脉冲波形。

图5　脉冲发生信号波形

由图5可见，此时的脉冲信号幅值为12V，振荡周期为20ms，脉冲宽度为50μs。

首先，在multisim中绘制测试系统电路图，各元器件的参数值依据4.1节进行设置。最后将各元器件连入TektronixOscilloscope进行仿真观察。

由于TektronixOscilloscope只能显示电压波形，所以需要在高速开关电路中串联一个电流表，显示脉冲电流峰值。高速开关电路中输出的脉冲波形如图6所示。

图6　脉冲输出波形

由图6可见，测试系统最终输出的脉冲波形光滑、无振荡，振荡周期为20ms，脉宽接近为50μs。而且此时电流表显示的脉冲电流幅值为40.789A，仿真结果基本符合公式理论的计算结果，可满足型式试验的要求。

5　结束语

针对我国安全栅种类繁多而测试评估手段不完善的局面，本文设计了一种满足国家标准二极管安全栅型式试验的测试系统。该测试系统有效地验证了二极管安全栅的安全性能指标，同时它具有保护电路和报警电路等完善的保护措施，确保了设备以及人身安全。本文通过分析二极管安全栅的脉冲试验，设计了相应的测试系统。该系统为安全栅检验提供了一种有效的方法，为确保防爆安全提供了有利的依据。

[1] 徐建平.“防爆安全技术”讲座:安全栅与安全仪表安全参数的确定[J].自动化仪表，2008，29(12):75-79.

[2] 国家质量监督检验检疫总局.GB3836.4-2010 爆炸性环境第4部分：由本质安全型“i”保护的设备[S].北京：中国标准出版社，2010.

[3] 国家质量监督检验检疫总局.GB3836.1-2010 爆炸性环境第1部分：设备通用要求[S].北京：中国标准出版社，2010.

[4] 马天翔.50A大功率脉冲恒流源技术研究与实现[D].吉林:吉林大学，2012.

[5] 赵娟，贾兴，朱利君，等.15A大负载连续脉冲电流源[C]//全国第二届特种电源与元器件学术年会论文集，2002.

[6] 杨胜.大功率高频微秒级脉冲电流源的研究[D].合肥:合肥工业大学，2012.

[7] 张曦，李长坤.二极管安全栅和安全分流器的型式试验探讨[J].电气防爆，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，现为上海理工大学控制工程专业在读硕士研究生；主要从事本安元器件测量技术的研究。

TH7;TP27

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201609019

修改稿收到日期：2016-02-28。