矿用本安开关电源的设计与性能研究

王 笑，余智勇，代创伟

（神木职业技术学院 机电工程系，陕西 神木 719300）

0 引 言

电源属于电气设备的心脏，其本安性设计是整个本安系统的基础。一旦电容出现火花或电感短路时产生电火花，就会导致能量集中释放。因此，必须要选择安全等级较高的开关电源，确保运行质量与效率。输入式整流滤波电路是整个供电系统中存储能量较大的组成部分，通过注重本安电源电路管理，提高供电系统运行质量[1-3]。

1 本安开关电源的特点

由于煤矿井本安开关是在比较特殊的情况下作业，因此其与家用开关存在较大的区别。首先，本安电源开关需要借助合理的方式，限制放电分路火花产生的放射能源，并限制放电电流，控制放电的电压。其次，保护输入开关端，进行适当的电气隔离，本安电路输入端要与非本安进行安全交流，一同开展高压电路保护，避免出现输入相串的情况，展现隔离电路保护的多元化。因此除了要求本安开关电源具备很宽的输入和电压区间，还应该要求保护电源在正常工作时具备较高的可靠度，并不断缩减体积，确保在故障下可自行恢复。

2 本安型开关电源技术性能要求

开关工作在易燃易爆的高危险环境中，与一般的地暖开关相比具有更高的特殊要求，其技术性能要求如下。

2.1 输入和外部输出端之间必须注意做到内部电气完全隔绝

一般情况下，本安型直流开关电源的交流输入端属于交流输入高压端，安全性能较好，而其直流输出输入侧能量对应于非本安型直流高压输出能量。为了有效防止其直流输入输出侧内的能量通过转移推进至非本安端，影响本安型开关电源的安全性直流输出性能，要求其电源输入和输出之间必须进行电气电阻隔离。电气电阻隔离组成包括电气变压器电阻、电压隔离、继电器、安全栅电阻隔离及各种光电耦合器[4]。

2.2 输出必须正确设置好作为具有限流功能电流保护输出电路

本安安全型直流高压开关电源和普通直流高压开关电源的主要区别之处在于，在开关电路可能发生开关故障时，本安安全型直流高压开关电源将出现火花，所需要释放出来的最大能量电流控制在一定安全能量范围内。对于那些输出电路功率小，并且需要无恒流电压稳定的电路，要求所需的直流稳压开关电源具备高输出特点，可直接在一个输出输入端内部连接限流稳压电阻，或者通过增大任一开关电源内部的限流外阻容量，降低输出控制电路最低限能，保证电源高输出。而对于那些输出电路功率较小，为保证所需的各种本安型直流稳压开关电源满足恒流电压稳定的高输出要求，不仅需要具备恒流稳压或者恒流限压及约束和控制恒流短路功能，还要保证电流过载或者存在限压短路，且可快速控制切断超负荷过流电压等。依据安全保护措施，减少控制电路输出能量，保证开关电源能够满足各种本安上安全和稳定的高性能输出要求。过载整流减压保护控制电路的过载整流减压保护方式包括3类，分别为三级限流型、截流型以及三级减压过载电流型。这3类可以广泛应用于不同的过流保护控制电路，但均需严格要求其过流保护电路动作快且稳定，并必须具有良好的保护性能[5]。

3 本安电源的整体设计

3.1 建筑工程框架总体设计结构总体设计

现在的直流电气设备大多数直接采用非线性的直流电源变压方式，保障直流电源基本安全。对直流变压器电源进行直流变压，经过变压之后，滤波整流回路的波形与电路输出电压数值波形相近，经过直流稳压回路，确保电压输入与输出的稳定性。采用超高电压限流电能比保护直流电路，安全输入本安直流输出电压[6]。

该框架结构设计不需要先进行变压器电容量降低处理，基于整流式滤波电路获得一个更加接近直流的电压，这一方式主要是由变换器电路内的分压电阻和基准电压形成反馈实现。通过达到一个接近直流的电压，基于DC/DC变换器控制输出电压。PWM控制器能够实现对电压与电流的双闭环控制，可提升电压的自动调整速度及负载自动调整速度，此外借助整流滤波电路可开展对第二级过滤电压的协同保护。

3.2 输入整流滤波器的电路

该电路的设计需要大容量的电容支持，与整流器并联，存在于输入端与负载端之间。通过检测电路的状态，检测电容的直流电压等，依据产生不同的特性获得最佳的直流电压。该电路损失因数相对较低，设计的优越性较强。所设计的输入整流滤波电路在普通电路的基础上进行改良，改良内容主要包括在原本电路基础上添加电容器和二极管，可供选择的连接方式为串联或并联。输入整流滤波器的电路如图1所示。

图1 输入整流滤波器的电路

在电容C2和滤波电容C3内串联电阻R2与R3，对比改进之后的电路与普通电路，增加了导通多角度，改善电流的波形，提升功率因数。开关电阻的串联形式限制了开关电容器所放电的能量，使得此类电路更好地保护了开关电源的实际安全[7]。

3.3 主要电路和控制系统选择

电流式PWM控制技术选择的是典型的闭环式控制系统，可弥补电压控制缺陷，稳定性与输入电压调节效果较好，限流功能比较明显，可瞬态响应特性，同时能够实现效率的线性调节，且不会受到任何电感的影响，信号输出较好。本文选择的是电流型PWM控制技术，以此实现对电路的系统性控制，控制系统内只需要借助一个芯片与电器元件连接，就能够实现双闭环的控制，共同控制电流与电压，以此精准地简化电源设计，提供最佳解决方案，减少运行成本。

3.4 设计自动反馈控制电路

这种开关电源多数器件采用了由光耦器件组成的电压反馈控制通道。光耦元件表示一种实现线性电子和其他电子之间快速转换的电子元件，可以分为非线性和线性两种，具体如图2所示。

图2 非线性以及线性光耦元件

图2中，线性光耦将普通光耦的单发单收模式稍加改变，增加用于反馈的光接收电路，电流传输特性曲线接近直线，具备高性能小信号特点，能以线性特性进行隔离控制。非线性光耦的电流传输特性曲线是非线性的，这类光耦适合于开关信号的传输，不适合传输模拟量。电流传输特性曲线如图3所示。

图3 电流传输特性曲线

线性光耦电流传输特性曲线直线部分比较长，电流传输比较为稳定，非线性光耦则很短。由于在电源振荡器的波形上直接使用非线性的电光耦合器，会直接导致电源振荡器的波形性能发生较大变化，因此建议选用非线性的电光耦合器来直接控制电源反馈控制通道。非线性电光耦合器和非线性电源稳压管能够隔离直流开关电源的信号输出、电源输入以及两者之间的电气信号。在此基础上建设起来的电源反馈控制通道能够避免发生电源占空现象，可有效提升功率的稳定性，应用优势显著[8]。选择这类安全设计能够顺应时代潮流，提升无线开关电源在线安全性能，凸显其本安开关价值。为避免三级连接管上的开关电源受到连接电路、电源短路、开关电流加速以及电压增加等因素影响，产生开关电路被堵和开关电路烧毁等异常现象，需要截止电路异常工作和电源短路线路中异常的三极管QA，电路经过整流器后继续整流，经过后续的三相稳压器整流，直接构建稳定的三相交流电。如此，便可确保其后续驱动电路控制系统发挥价值，实现长期且有效的控制。

该装置本身就是一种安全的线路内交流开关电源，设计过程中增加了过电交流电压保护和过电流保护电路。当过流电压得到保护后，电路能够在一个后续的中断电路中正常工作运行，DZ和SCR是完全被动截止的。电路中中断输出的一个直流输出电压，可能会被动或间接地中断提供。如果一个DZ容器输出的直流充电截止电压出现下降，那么DZ就可能会一直处于导线接通截止状态，电容器也可能会一直处于充电截止状态。因为没有完全遵守规定工作截止条件，所以DR和SCR的状态一直保持实施电流的截止状态。若是控制的输出电压与输入电压超过18.7 V的设定数值，那么DZ会自动转变为导线的接通状态，若达到了电路门极的自动出发输出电流的额定工作保护条件，SCR则会自动导通，电路自动停止控制输入、输出的电压，以此实现电源启动器的保护，促使电源开关的状态正常，激发线路的保护功能。开关电源的基本硬件结构设计如图4所示。

图4 开关电源的基本硬件结构设计框图

按照该控制电路的基本结构设计框图，重新设计了一个用于输入电源整流器和滤波器的控制电路。通过对比两种电压型及PWM和两种电流型及PWM电源控制系统技术的不同优缺点后，选用了两种电流型及PWM电源控制系统技术方案来设计一种以电源主控制电路设计为技术基础的电源控制管理系统。分别设计了过载反馈控制电路、过载整流及过载稳压电路保护控制电路，简化了开关电源的基本设计方案、减少了电源生产成本，并在基础应用条件下，使开关电源性能可以直接达到一种技术本安上更加安全的电源性能控制要求[9]。

3.5 稳定性概念及判据

在自控原理的基础上可知，就控制系统而言，其最为主要的就是要将系统稳定性问题解决，确保工作的顺利开展。稳定性指的是将系统外作用去除之后，可执行恢复，系统自身拥有固定的特性，其与系统的结构、系统的参数有关联，与初始条件和外作用力无任何的关系[10]。

系统特征方程各项系数构成的主要列式为△n，其获得的数值均为正。由此可得，对于n≤3的线性系统，其稳定的充要条件还可以表示为：n=2时，特征方程的各项系数为正；n=3时，特征方程的各项系数为正且a1a2-a0a3＞0。Buck变换器稳定性模型详如图5所示，其最开始设置的是变换器工作连续导电模式（CCM）下，电感是线性未饱和，开关周期为TS。

图5 buck变换器稳定性模型

4 结 论

通过详细分析一个开关电源的基本硬件结构设计框图，按照该控制电路的基本结构设计框图分别重新设计了一个用于输入电源整流器和滤波器的控制电路。选用了两种电流型及PWM电源控制系统技术方案来设计一种以电源主控制电路设计为技术基础的电源控制管理系统。分别设计了过载反馈控制电路、过载整流及过载稳压电路保护控制电路，简化了开关电源的基本设计方案、减少了电源生产成本，并在基础应用条件下，使开关电源性能可以直接达到一种技术本安上更加安全型的电源性能控制要求。