煤矿用本质安全型电源设计理论研究

杨晓丹(煤科集团沈阳研究院有限公司， 辽宁 抚顺 113122)

1 前言

通常所说的电源，通常首先要提到它的输出功率，从本质上来说就是它的额定输出电压及最大输出电流，本安电源也是如此，它的过电流保护以及过电压保护电路是本质安全电路在工程师设计时需要重点考虑的方向[1]。过电压保护主要通过分压电路采集供电主回路上的电压值，从而通过一系列电路处理反馈到开关管的控制端。当输出端电压超过一定值时控制电路使输出拉低，使输出电压控制在要求范围之内。过电流保护是在主回路加上一定功率的限流电阻，将通过此限流电阻的电流转化为电压信号，同样将该电压信号反馈到开关管的控制端。本文主要分析本质安全电源电路的基本原理，论述了本安电源的过流保护、过压保护电路在煤矿本质安全型稳压电源电路中的应用。

2 本安电源保护电路的设计方法及参数选定

2.1 本质安全电源的基本电路原理

煤矿井下本质安全电源是将普通稳压电源的输出通过一些多方位的保护手段使输出电源变成本质安全输出，所以本质安全电源的设计方式大多是对电源输出电压及电源输出电流的合理保护来限制该稳压电源的能量，限制后的稳压电源就可以认定为本质安全电源。电源电压的保护方式是通过判断输出端电压，该电压高了就断开输出，终而复始。而电源电流的保护方式大致上分为两种，即恒电流型及截电流型，这两种保护电路方式在煤矿井下本质安全电源的使用最为普遍。恒电流型本质安全电源具有外围电路简单、可靠性高、电流持续性的特点，尤其是对音视频负载，能够最大限度保证负载电路供电正常，不易受外界因素的干扰而中断能量供给；截流型保护电路相比较而言有电路功耗低、效率高的特点，往往可以将本质安全电源输出参数(功率)设计的相对更大些。煤矿井下使用的本质安全电源一般情况下分为“Ma级” 和“Mb级”两种保护级别，但目前以“Mb级”居多，本文主要研究“Mb级”，即本质安全电源在设计时可以采用相同两部分电路以串联的形式来保护电路，即其中一个部分出现故障(通常短路最为严重)时，另外一部分保护电路仍然可以对该功能起到保护的要求[2]。因此，本质安全电源的保护电路要设计两部分相同的过电压及过电流保护电路，同时也可以设计一个专门针对输出短路的限能电路，能够更快的将短路时前端输出的能量加以限制。

2.2 本质安全电源的输出功率

本质安全电源的输出功率不但要满足煤矿井下仪器仪表正常工作时的额定电流，而且要满足当仪器仪表在重启或者其他瞬时功率增大时工作电流突然增大而出现的突变电流，甚至接近本安电源的最大输出电流。原则上本安电源的本安参数要符合GB 3836.4—2010附录A的评定要求，评定内容至少包括最大输出电压、最高输出电流及最大外部电容、电感等参数，都要符合附录A中要求。

3 本质安全电源的过电压保护设计研究

本质安全电源的过电压保护电路通过分压电路，将采集到的与主回路电压经过一些列的信号处理，最终输出高低两种电平信号反馈至控制电路。当稳压电源的前端稳压模块发生故障而使输出端电压突然增高，这种情况下如果没有过压保护措施将会有安全隐患，因为负载不能保证在增高的电压下工作是否仍然安全。此时可以通过运放等器件来实现，例如电压比较器等电路，并通过一定的逻辑性来控制开关管工作。

3.1 本质安全电源的过电压保护原理

主回路上的开关管通常采用两个开关管串联使用。电位器通过与稳压管串联，将自身抽头的分压值反馈到可控硅的控制端。当电压高到可控硅的门级阀值时，可控硅的控制脚电压升高，最终到使可控硅导通，放电容放电后使上下两端的电压会迅速降低，从而使三极管的基极电流逐渐变小，其Vce电压增大，导致三极管的状态为截止状态，开关管的Vgs没有足够的导通压降，会立刻关断，达到了切断主回路的作用，这个过程会是一个往复的过程，最终形成闭环。即在前端电压增高到一定程度时，经过过压保护电路后使本安输出部分没有输出，从而达到本质安全要求。基本原理图如图1所示。

图1 过电压保护电路

3.2 过压保护电路测试

实际测试本安电源的输出参数如图2所示。从该图可以看出，此保护电路满足本质安全电源过压保护要求。示波器带宽限制20MHz。

在电压增高到一定程度时(即可控硅达到动作阈值)，立刻激发保护电路动作，并能在很短的时间内被拉低，及时起到限制电压增高，从而达到了过本安电源的过压保护要求。

4 本质安全电源的过电流保护设计研究

图2 过压保护瞬间波形图

本质安全电源的过电流保护主要通过硬件电路得出一个电压比较基准，并采集主回路中的较低阻值、较大功率采样电阻的压差值，通过电压比较器电路将主回路的工作电流反映出来，从而能够实时反馈电路主回路工作电流到控制电路。这种电路具有电路结构简单、逻辑性强、造价较低的优点。

4.1 过电流保护电路原理

1)简单三极管过电流保护电路

该电路经常应用在电流较小的本质安全电源中。在负载电路电阻变小时，从而导致主回路电流变大，电阻两端压降增加，当增加到过流保护值时，三极管达到饱和，那么三极管发射极与集电极导通，最终拉低开关管的栅极与源极的压差，导致开关管全部关断，迫使电源没有输出，达到了过流保护的作用，符合本质安全型要求。具体线路如图3所示。

图3 三极管过电流保护电路

2) RC电路与三极管联合控制过电流保护电路

该本质安全电源电路在正常工作情况下，负载侧的正常工作电流较小，限流电阻上的压降也较小，该压降不能使限流三极管导通，所以正常情况下电容所在回路不能充电，即电容两端没有压差，因此控制三极管正常情况下也截止。如果主回路的工作电流增加到一定程度(根据开发者设计值不同)，使限流电阻两端的压降大于等于限流三极管基级电压与R1电压之和,则限流三极管导通，电容开始充电，RC电路开始工作，电容充电电流的充电时间常数为R×C。该电路需要计算器件的参数，要保证电容两端电压能够足以保证控制三极管饱和导通的状态，控制三极管集电极开漏输出，足以驱动主回路的控制开关管动作。具体线路如图4所示。

图4 RC电路与三极管联合控制过电流保护电路

3) 555定时器与PWM联合控制过电流保护电路

UC384X系列芯片(IC1)是Unitrode公司生产的一款高性能单端输出式电流控制型PWM芯片，该芯片的脉宽调制器特性可以用在煤矿井下本质安全型电源上。IC1可以通过两种方式控制开关管[3]：一是将3脚的电流输入检测端电压升高超过1V，触发过流保护功能，使6脚控制开关管关闭；二是将1脚电压降低至1V以下，促使比较器输出高电平而将PWM锁存器复位，控制开关管关闭。当有负载电流达到过流阈值时，IC1的1脚电压下降，使IC2触发器工作，当7脚开始放电时，又强迫PWM控制器的1脚拉低，最终形成有周期的不断控制开关管关闭，使电源的供电电路断开，达到保护要求。若负载的电路的过电流始终存在，则开关管不断的尝试导通。而且，开关管的尝试导通时间间隔相比导通时间较长，开关管虽然在尝试导通时通过电流较大，但是时间很短，不会发热。这个周期由RC电流的R和C取值决定，本例中τ=R1×C1，当负载电流恢复至正常值时开关管导通，恢复供电回路[4]。具体电路如图5所示。

图5 555定时器与PWM联合控制过电流保护电路

图6 过电流保护瞬间电路波形

4.2 过电流保护电路波形分析

本质安全电源的输出参数可以通过高精度示波器抓取。示波器带宽同样也限制在20MHz。在负载不变的情况下，电流值也为恒定不变，而在负载不断变小时主回路电流变大，当主回路电流达到过流保护值时，三极管开始饱和，开关管关断，形成一个闭环控制。瞬间电路波形如图6所示。

电源在发生故障时持续供电的时间决定了该电源的限能能力。图7所示为一个直流24V本安电源，在瞬间短路一次时的电压及电流双通道采样波形图，采样时基为1uS，电压经过约0.3uS的下降时间的同时，电流迅速增加至峰值最高约为3.3A，所以在整个保护过程中，该0.3uS时间段为本安电源的保护延时时间，将这段过程尽可能缩短，是限能的最终目标。

图7 短路保护瞬间电路波形

5 本安电源故障时瞬态输出能量的测试评估

综述以上几种本质安全型电源的保护方式，是从电路的原理上进行分析，可以达到保护的要求。一个安全性能优越的本安电源，也可以从电源输出的瞬态输出能量方面去考核。瞬态输出能量的实质含义，就是当本安电源的负载侧出现故障时(短路或过电流)，利用双通道示波器同时抓取该电源输出的电压和电流波形图，需要注意的是采样频率应至少1MHz以上，将整个保护过程的波形图导出并通过专用软件分析计算，图形的计算方法为瞬时功率与时间的积分(t1时间至t2时间)，“t1”为故障开始时间，“t2”为本安电源保护结束时间，计算本次故障时从故障开始至结束时输出的总能量，通过多种故障形式，多次计算电源的输出能量，这个能量值理论上越小越能体现出电源的保护速度快。积分公式为

函数“W(t)”为在t时刻时该电源的瞬时功率值，“E”为整个故障过程中本安电源输出的总能量。

国家标准关于本质安全电源瞬态能量的考核也有明确方法，即在已知本安电源电压等级的情况下，超过该电压等级所对应的评定电流时的这段时间里，计算该段时间里的总能量，该能量值规定为不能大于260μJ。

6 结论

针对现有国内煤矿井下设备供电用的关键设备——本质安全型稳压电源，论述了本安电源保护电路的设计方法和测试评估，并详细研究了过压保护和过流保护两种保护电路的基本原理。从实际应用电路、输出波形分析以及国家标准要求相结合的方式，分析了煤矿用本质安全电源的几种保护方法。这几种保护方法能够满足煤矿用本质安全电源的输出部分在煤矿井下正常工作以及遇到负载故障时达到本质安全的要求，双重保护设计可靠性高。这几种保护方法采用分立元件设计，而相比其他集成芯片具有反应速度块、成本低廉、在大电流工作时散热快的优点。本质安全型电源的研究，可提高煤矿井下设备工作时安全性能，避免井下用电设备产生火花引起瓦斯爆炸事故，达到以人为本、安全第一的重要目的。