负载电阻对开关变换器放电特性影响分析

(中国石油吉林石化分公司乙烯厂，吉林吉林 132000)

0 引言

开关变换器是安全开关电源的核心部分，其普遍应用于石油、化工、煤炭等危险场所，本安型防爆类型设备可以应用于0区，具有高的安全级别，同时设备具有体积小、重量轻等优点[2]，所以安全开关变换器系统一般设计为本质安全型。但其含有较大容量的储能元件：电感和电容，在元件出现故障时，所产生的电火花很容易引起危险场所的爆炸，因此对于开关变换器在电容短路情况下，负载电阻对于其放电特性分析是具有重要意义的。

1 开关变换器结构及工作原理

图1为开关变换器系统，一般输入电源功率较大，不是本安电源，因此在安全区放安全栅，安全栅通常采用电阻、稳压管和晶体管对电流和电压进行限制，使本质安全开关变换器的输入端能量得到限制。若电源是本安型的，则不需要安全栅进行控制，可直接接到本质安全开关变换器。

图1 开关变换器系统[3]

如下图2为本质安全型开关变换器结构原理图，从图中可以看出存在电感和电容两种储能元件，当电感断开或者电容短路时，电路中能量均会引起电路产生火花，在危险场所引起爆炸。截止保护电路是起到切断电源输入，隔离电感和电容作用，从而避免发生爆炸。

图2 本质安全型开关变换器结构原理图

2 电容短路时能量组成

开关变换器工作模式分为连续导电模式(CCM)和不连续导电模式(DCM), 以Boost 开关变换器为研究对象，在连续导电模式下，图3为电路，图4为火花实验时断开和闭合的等效图。

图3 Boost开关变换器电路图

图4 火花实验电路等效图

当闭合时，短路释放能量W包括在保护电路响应时间△t内电源和电感向短路出输送的能量WS、WL，电容储备的能量WC和负载电阻在持续放电时间内消耗的能量WR。

W=WS+WL+WC-WR

(1)

电容器的最大输出电压为VO,忽略波纹电压，则

(2)

电阻在火花放电时平均电压值为VH,火花持续放电时间为TC则

(3)

在响应时间△t内，电源和电感向短路出输送的能量WS、WL，则转移的最大能量

(4)

式中，ILP(CCM)—短路时电感电流的稳态值。

因此总能量WCCM为

WCCM=WSL,max+WC-WR

(5)

对RL求导可得

(6)

将参数带入，可得导数大于零；同理对电压求导，导数也大于零，由此可以推导出总能量随着负载电阻(RL)和输入电压(Vi)的增加而变大。

同理可以推导Boost 开关变换器在不连续导电模式，总能量也符合这一规律。

3 负载电阻与短路电流和维持电压关系

3.1 简单电容电路

图5为简单电容电路图，其中R0≫R,若触点为晶体管，则电容电压和短路电流随时间变化曲线如图6所示，短路时电流瞬间达到最大，电压逐渐变小。

图5 简单电容电路图

图6 短路放电曲线

若触点为火花装置两极短路，即模拟人为将电容两极短接，见图7，由于情况复杂，可以通过多次试验获取短路放电曲线，图8为相同R(560Ω)和Vi(18V)条件下，电容值不同时，电压和电流变化情况，从图中可以看出，电流出现两次波峰，第一个波峰是介质被击穿，电流瞬间变大，电压急剧变小，此时温度迅速上升，空气爆裂，电极间为负阻抗；当电流上升到最大值，电子碰撞增加，气体分子电离，产生发光效应，产生火花，电压继续下降，电阻增大，电流变小；此时火花电阻不变，电流很小，电压持续下降，火花维持状态；当两极完全闭合，电流瞬间达到第二个峰值，电压下降为零，电容剩余能量为电阻和电极吸收。

图7 火花装置两极短路电路图

图8 火花装置两极短路放电曲线

综上分析，能引起爆炸的能量主要是介质击穿和产生火花的阶段，即电流的第一个波峰阶段，火花维持阶段能量较小，第二个波峰能量主要被电阻和电极吸收。

3.2开关变换器电容短路放电特性

与模拟人为将电容两极短接一样，采用火花装置进行实验，针对Boost 开关变换器进行分析，图9为Boost开关变换器电路图，RL(36Ω)、Vi(18V)图10为电容短路放电曲线。

图9 Boost开关变换器电路图

图10 电容短路放电曲线

图10与图8相比较，发现不同主要在火花维持和火花熄灭阶段。规律一：电阻变小，维持电压下降变快，这是由于RL很小，火花电阻很大，导致电压下降很快。规律二：电阻变小，短路电流下降变快。因此短路电流和维持电压与负载电阻RL成正比关系。

4 结语

开关变换器工作模式包括连续导电模式和不连续导电模式,电容电路并联的负载电阻是在一定范围内变化的，本文推到了负载电阻对于火花点燃能量和短路电流的影响规律，但是对于降低开关变换器火花能量和提高其安全性能方面其他因素还有很多尚需分析。