负载电阻对开关变换器放电特性影响分析

2019-10-09

防爆电机 2019年5期

(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。