二极管安全栅检测用大电流可调脉宽直流脉冲电源的研制

雷文龙

摘 要：安全栅是本安防爆系统中常用的关联设备，在其型式试验时可调脉宽直流脉冲电流源是关键设备，对其性能的优劣起着至关重要的评定作用。本文介绍了一种齐纳式二极管安全栅检测可调脉宽大电流直流脉冲电流源，给出了系统总体设计，详细介绍了推挽电路、脉冲电流源放电电路、脉冲控制信号电路。

关键词：二极管安全栅;推挽电路;放电电路;脉冲控制信号电路

中图分类号：TN86 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2020）12-0108-02

0 引言

煤矿井下含有大量的爆炸性瓦斯气体，0.2mJ的点火能量即可点燃瓦斯使其爆炸。为了限制煤矿井下设备发生故障或短路时的火花能量，常常采用隔爆或本安电路的设计形式。

安全栅又称安全限能器、安全保持器，在本安防爆系统中是安装在安全场所并含有本安电路和非本安电路的装置。安全栅有齐纳式和隔离式。齐纳式安全栅的核心元件为齐纳二极管（稳压二极管），通过限流和限压的方式限制电路中送往现场本安回路的能量，防止非本安电路的危险能量串入本安电路，是本安系统的重要组成部分。因此，稳压二极管性能的好坏在电路中起着至关重要的作用。

根据GB3836.04-2010《爆炸性环境第4部分：由本质安全型“i”保护的设备》中第10.8条规定：二极管安全栅或安全分流器需用试验验证其能否承受瞬态过程的影响。齐纳二极管应能够承受频率为50Hz、脉宽为50us的矩形脉冲的冲击，连续次数不少于5次。因此，大电流可调脉宽直流脉冲电源是其性能测试的必备设备。

1 装置总体方案设计

系统主要包括四部分：推挽充电电路、电容储能电路、电流脉冲放电电路、脉冲控制信号，如图1所示。

推挽充电电路内含有隔离变压器，在充电瞬间，可以防止供电瞬时电压对后端电容的冲击。储能电路主要由电容构成，用于储存电能。电流脉冲放电回路在脉冲控制信号到来时可以按要求的瞬间脉冲形状快速释放能量给负载。脉冲控制信号电路可以定时发出信号控制放电回路放电。

2 关键系统设计

2.1 推挽电路

交流电源整流滤波后施加到由4个MOSFT开关管组成的推挽电路，如图2所示。T为高频变压器，开关管N1和N2为1组，称为主开关管组;N3和N4为1组，称为副开关管组;在工作过程当中主开关管组和副开关管组中的开关管分别交替导通，即N1与N2互补导通，N3与N4互补导通。由于施加在两组开关管控制端信号的频率不同，即设置buck变换器开关管频率为推挽级的2倍，从而使开关管按照一定的顺序导通。当N1与N3同时导通时，在变压器的初级端N1、L、N3形成回路，在变压器的次级端通过二极管D1整流;当N1与N4同时导通时，N1、L、N4形成回路，在变压器的次级端通过二极管D2整流。通过改变主开关管组控制端的频率信号占空比即可改变变压器的输出值。输出电压为：Vout=D×Vin/（Ap/As），式中D为N1的占空比，Ap/As为变压器匝数比。通过改变D，从而改变Vout。

2.2 电流脉冲放电电路

变压器输出后的电压经电容储能网络后施加到脉冲放电电路，电路原理图如图3所示。在电路上设计有三个开关管S5、S6、S7，通过开关管实现不同的控制功能。其中S5為主控制开关，控制主放电回路的通断;S6、S7为脉冲开关，控制电路中电感的瞬时放电，从而形成脉冲电流。在初始时刻，电容放电网络有存储有足够的能量，当开关管S5、S6同时导通，开关管S7关断时，电路通过S5、S6、电感L形成回路，此时电感L储存能量，电感电流持续快速上升，此时负载两端电压和电流均为0。

电路中串联霍尔传感器实现电流值的测量。当电流达到设定值后，开关管S5、S6同时断开导通，开关管S7导通，此时电感L、D3、S7和负载形成回路，电感中储存的能量迅速释放，从而形成脉冲电流。

2.3 脉冲控制信号电路

脉冲电源的控制逻辑关键在于对开关管的控制，使开关管S5-S7按照变换器规律工作，如图4所示。电路中设计电压比较器和多个与非门形成时序逻辑控制器。霍尔传感器的电压输出值作为电压器比较器的负向输入端，当霍尔传感器的电压输出值小于比较器1正端的电压最小设定值时，比较器1输出高电平，比较器2输出高电平，S5、S6导通，S7断开。当霍尔传感器的电压输出值大于比较器2正端的电压最大设定值时，比较器2输出低电平，S5断开，S6导通，S7断开。单片机发出脉冲频率信号作为控制信号，从而实现脉冲电流的周期性控制。一个脉冲信号结束到下个脉冲来临之前，S5-S7均处于关断状态，此时电感L中的剩余的能量通过D3、C、D4回路将剩余能量给电容充电，负载通过并联的二极管D5续流。

为了实现脉宽的调整和脉冲个数的限制，通过单片机设置的输出脉冲来控制IGBT开关管的导通和截止时间以及通断次数，从而调节输出脉冲的脉宽，实现20ms脉冲周期和连续脉冲数量的设定。

3 结语

通过对推挽充电电路、脉冲放电电路、脉冲控制信号等电路的研究，通过Multisim软件仿真验证，该设计达到了预期目的，能够形成一套电流、脉宽可调，脉冲数固定，大电流的符合GB3836的二级管试验用直流脉冲电源，对实际电路的制作起到了指导性作用。