CN102237785B - 一种提高本安开关电源性能的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

一种提高本安开关电源性能的方法及装置，属于爆炸性危险环境的本安开关电源。采用电感检测电流变化率的方法，使主电路截止，同时通过电感来延迟短路时电流变化的时间，使得在电压降为零后电流才开始上升，从而减少故障时的放电能量，同时电感控制短路时电流变化率，降低了EMI的影响；该装置的电流微分测量器与驱动电路的输入端连接，驱动电路的输出端与开关的控制端连接，第一开关与限流电感为串联连接，第二开关通过负载电阻接地，限流电感与二极管并联连接，并联连接的限流电感与二极管通过电阻RL接地。优点：该方法及装置提高了本安开关电源的功率，增强了本安系统安全性和可靠性；电流变化率下降，降低了EMI干扰。

Description

一种提高本安开关电源性能的方法及装置
技术领域
本发明涉及一种在爆炸性危险环境的本安开关电源，特别是一种提高本安开关电源性能的方法及装置。
背景技术
目前国际上普遍采用的防爆类型有：隔爆型、增安型、本质安全型等等。比较各种防爆形式可知，本质安全型电气设备从电路的电气参数设计保证了防爆的要求，省去了厚重的防爆外壳，有着安全程度高，体积小，重量轻，携带维护方便和造价较低等优点，因此本质型安全电路被广泛应用。
大功率电气设备的广泛使用，增加了对大功率本安开关电源的需求。又由于本质安全的特殊要求，当本安电源采取并联方式提高本安电源的功率时，会由于电流不均衡造成本安电源失效的问题，所以无法通过多个本安电源通过并联的方式来实现功率的提高。此外，当本安电源在满载运行情况下出现短路故障时电流变化率较大，本安开关电源的EMI效果较差。
目前为实现输出本质安全而提出的方法有：（1）采用分流元件，如电感的分流元件，分流电容等，但是此方法只能用于本安电路中的元器件；（2）采用保护性组件，如进行过流，过压保护，但是目前多采用恒流型本安电源，发热严重。（3）对电气设备中元件参数进行限制，但是必须对所有的元器件故障状态下所存储的能量作出详细计算，设计过程复杂且需模型准确。虽然采用了各种方法来提高本安开关电源的功率，但是目前本安开关电源的功率停留在10W左右的级别，仍然无法满足工业现场的功率要求。又因为保护方法中应用了电力电子器件，导致了EMI效果较差。
发明内容
本发明的目的是要提供一种提高本安开关电源性能的方法及装置，解决目前本安开关电源功率较小，本安开关电源的EMI效果较差的问题。
本发明的目的是这样实现的：采用主电路中串联采样电感L 1检测短路电流变化率的方法，使主电路截止，同时通过限流电感L来延迟短路时电流变化的时间，使得在火花电压降为零后短路电流才开始上升，从而减少故障时的放电能量，此外，限流电感L能够限制短路时电流变化率，降低了EMI的影响；
该方法具体为：电流微分测量器由运算放大器及电阻构成，对输入信号进行检测并放大，运算放大器的输出端通过逻辑门与驱动电路的输入端连接，驱动电路产生的驱动信号控制串联在主电路中的第一开关Q1和并联在第一开关Q1输出侧与地之间的第二开关Q2的断开与闭合；第一开关Q1与限流电感L串联连接，限流电感L延迟电流变化的时间，使火花电压降为零时短路电流才开始上升；电流微分测量器检测短路电流变化率，采样电感的两端接在电流微分测量器的输入端，当发生短路时，即在电容性点燃情况下，采样电感两端产生感应电动势，电流微分测量器检测到该感应电动势并放大，放大后的信号使得驱动电路驱动第二开关Q2闭合，第一开关Q1断开；当电路断开时，即在电感性点燃情况下，限流电感L与二极管形并联连接成内部环路，吸收限流电感上的尖峰电压，阻止限流电感上能量的释放。
该装置包括电流微分测量器、驱动电路、第一开关、第二开关、电感、限流电感和二极管，电流微分测量器与驱动电路的输入端连接，驱动电路的输出端同时与第一开关和第二开关的控制端连接，第一开关连接在电流微分测量器和限流电感之间，与限流电感为串联连接，第二开关的一端连接在第一开关和限流电感之间，第二开关的另一端通过电阻R接地，限流电感与二极管并联连接，并联连接的限流电感与二极管通过负载电阻接地；
电源的负极接地，正极连接采样电感，然后依次连接第一开关Q1，限流电感，负载电阻、最后接地，当负载发生电容性点燃的情况下，第二开关Q2闭合将限流电感接地；所述的电流微分测量器由运算放大器U1、运算放大器U2、运算放大器U3及电阻R1~电阻R7构成，具体实现为：运算放大器U1的第一输入端接在采样电感的正端，第二输入端分别通过电阻R1接在运算放大器U2的第一输入端，通过电阻R2及电阻R3接在运算放大器U3的第一输入端；同时运算放大器U1第二输入端通过电阻R2接到运算放大器U1的输出端，该运算放大器U1输出端经电阻R3接在运算放大器U3的第一输入端，该运算放大器U3第一输入端经电阻R4接到运算放大器U3的输出端；运算放大器U2的第二输入端接在采样电感L1的负端，第一输入端通过电阻R5接到运算放大器U2的输出端，该运算放大器U2输出端经电阻R6接在运算放大器U3的第二个输入端，此输入端通过电阻R 7接地，运算放大器U3输出端经第一逻辑门U4后连接到第一驱动电路drive1的输入端，并经第二逻辑门U5后连接到第二驱动电路drive2的输入端，第一驱动电路drivel的输出端与第一开关Q1的控制端相连，第二驱动电路drive2的输出端与第二开关Q2的控制端相连；所述的第一逻辑门U4为非门，第二逻辑门U5为与门。
有益效果，由于采用了上述方案：电流微分测量器的运算放大器对信号进行检测并放大，动算放大器的输出端通过逻辑门接在二个开关的驱动电路输入端，驱动电路产生的信号驱动二个开关的断开与闭合；第一开关串接限流电感，利用限流电感延迟电流变化的时间，使火花电压降为零时电流才开始上升，降低了故障时的放电能量，提高输出功率；电流微分测量器检测短路电流变化率，采样电感L 1的两端接到电流微分测量器的输入端，当发生短路时，即在电容性点燃情况下，电流微分测量器di/dt变化很大，电感两端产生感应电动势，电流微分测量器检测到该信号并放大，运算放大器输出信号使得驱动电路驱动第二开关闭合，第一开关断开；第一开关断开，切断电源向短路故障点的能量传输；第二开关闭合接入电阻R在电源内部消耗一部分限流电感L的储能，减少对故障点的能量释放，软开关方法进一步减少了电容性点燃时能量释放，从而提高了电源输出功率，使本安开关电源的应用范围更加广泛；当电路断开时，即在电感性点燃情况下，限流电感L与二极管D形成内部环路，将限流电感上的尖峰电压吸收，阻止限流电感上能量的释放；本发明的方法，可以提高电容性点燃情况下的功率，而不影响原来电感性点燃的功率。解决目前本安开关电源功率较小，本安开关电源的EMI效果较差的问题，达到了本发明的目的。
优点：该方法能够使检测速度大大提高，同时使用限流电感来延迟电流变化，从而减少故障时的放电能量，有效地避免爆炸的发生，提高了本安开关电源的功率，增强了本安系统安全性和可靠性；又因为电感的应用使得电流变化率下降，从而降低了EMI干扰。
附图说明
图1是本发明的系统框图。
图2是本发明的提高本安开关电源功率的新方法的实现。
图3是火花放电能量曲线图。
图中：1、电流微分测量器；2、驱动电路；3、限流电感；R L、负载电阻；Q1、第一开关；Q2、第二开关；D、二极管；U4、非门；U5、与门；L 1、采样电感。
具体实施方式
实施例1：采用主电路中串联采样电感L 1检测短路电流变化率的方法，使主电路截止，同时通过限流电感来延迟短路时电流变化的时间，使得在火花电压降为零后短路电流才开始上升，从而减少故障时的放电能量，此外，限流电感能够限制短路时电流变化率，降低了EMI的影响；
该方法具体为：电流微分测量器1由运算放大器及电阻构成，对输入信号进行检测并放大，运算放大器的输出端通过逻辑门与驱动电路的输入端连接，驱动电路产生的驱动信号控制第一开关Q1和第二开关Q2的断开与闭合；第一开关Q1与限流电感L串联连接，限流电感L延迟电流变化的时间，使火花电压降为零时电流才开始上升；电流微分测量器1检测短路电流变化率，采样电感的两端接在电流微分测量器1的输入端，当发生短路时，即在电容性点燃情况下，采样电感两端产生感应电动势，电流微分测量器检测到该感应电动势并放大，放大后的信号使得驱动电路驱动第二开关Q2闭合，第一开关Q1断开；当电路断开时，即在电感性点燃情况下，限流电感L与二极管D形成内部环路，吸收限流电感L上的尖峰电压，阻止限流电感L上能量的释放。
该装置包括电流微分测量器1、驱动电路2、第一开关Q1、第二开关Q2、采样电感L 1、限流电感L和二极管D，电流微分测量器1与驱动电路2的输入端连接，驱动电路2的输出端同时与第一开关Q1和第二开关Q2的控制端连接，第一开关Q1连接在电流微分测量器1和限流电感3之间，与限流电感3为串联连接，第二开关Q2的一端连接在第一开关Q1和限流电感之间，第二开关Q2的另一端通过电阻R接地，限流电感3与二极管D并联连接，并联连接的限流电感L与二极管D通过负载电阻RL接地。
电源E的负极接地，正极连接采样电感L 1，然后依次连接第一开关Q1，限流电感L，负载电阻R L、最后接地，当负载发生电容性点燃的情况下，第二开关Q2闭合将限流电感L接地；所述的电流微分测量器为：运算放大器U1的第一输入端接在采样电感的正端，第二输入端分别通过电阻R1接在运算放大器U2的第一输入端，通过电阻R2及电阻R3接在运算放大器U3的第一输入端；同时运算放大器U1第二输入端通过电阻R2接到运算放大器U1的输出端，该运算放大器U1输出端经电阻R3接在运算放大器U3的第一输入端，该运算放大器U3第一输入端经电阻R4接到运算放大器U3的输出端；运算放大器U2的第二输入端接在采样电感L1的负端，第一输入端通过电阻R5接到运算放大器U2的输出端，该运算放大器U2输出端经电阻R6接在运算放大器U3的第二输入端，此输入端通过电阻R7接地，运算放大器U3输出端经第一逻辑门U4后连接到第一驱动电路drive1的输入端，并经第二逻辑门U5后连接到第二驱动电路drive2的输入端，第一驱动电路drivel的输出端与第一开关Q1的控制端相连，第二驱动电路drive2的输出端与第二开关Q2的控制端相连；所述的第一逻辑门U4为非门，第二逻辑门U5为与门。
在图3中，曲线（1）是电压变化曲线，曲线（2）是未加电感时电流变化曲线，曲线（3）是加入电感时电流变化曲线。单斜线构成的区域与交叉线构成的区域之和是未加电感时的放电量，交叉线构成的区域是加入电感时的放电量，图中竖线表示发生短路故障的时刻。

Claims (2)

1.一种提高本安开关电源性能的方法，其特征是：采用在主电路中串联采样电感检测短路电流变化率的方法，使主电路截止；同时限流电感可以延迟短路时电流变化的时间，使得在火花电压降为零后短路电流才开始上升，从而减少故障时的放电能量；此外，限流电感能够限制短路时电流变化率，降低了EMI的影响；
该方法具体为：电流微分测量器由运算放大器及电阻构成，对输入信号进行检测并放大，运算放大器的输出端通过逻辑门与驱动电路的输入端连接，驱动电路产生的驱动信号控制串联在主电路中的第一开关Q1和并联在第一开关Q1输出侧与地之间的第二开关Q2的断开与闭合；第一开关Q1与限流电感串联连接，限流电感延迟电流变化的时间，使火花电压降为零时短路电流才开始上升；电流微分测量器检测短路电流变化率，采样电感的两端接在电流微分测量器的输入端，当发生短路时，即在电容性点燃情况下，采样电感两端产生感应电动势，电流微分测量器检测到该感应电动势并放大，放大后的信号使得驱动电路驱动第二开关Q2闭合，第一开关Q1断开；当电路断开时，即在电感性点燃情况下，限流电感与二极管并联连接形成内部环路，吸收限流电感上的尖峰电压，阻止限流电感上能量的释放。
2.一种实现权利要求1所述方法的装置，其特征是：该装置包括电流微分测量器、驱动电路、第一开关Q1、第二开关Q2、采样电感、限流电感和二极管，电流微分测量器输出与驱动电路的输入端连接，驱动电路的输出端同时与第一开关Q1和第二开关Q2的控制端连接，第一开关Q1连接在电流微分测量器和限流电感之间，与限流电感为串联连接，第二开关Q2的一端连接在第一开关Q1和限流电感之间，第二开关Q2的另一端通过电阻R接地，限流电感与二极管并联连接，并联连接的限流电感与二极管通过负载电阻接地；
电源的负极接地，正极连接采样电感，然后依次连接第一开关Q1，限流电感，负载电阻，最后接地，当负载发生电容性点燃的情况下，第二开关Q2闭合将限流电感接地；所述的电流微分测量器由运算放大器U1、运算放大器U2、运算放大器U3及电阻R1~电阻R7构成，具体实现为：运算放大器U1的第一输入端接在采样电感的正端，第二输入端分别通过电阻R1接在运算放大器U2的第一输入端，通过电阻R2及电阻R3接在运算放大器U3的第一输入端；同时运算放大器U1第二输入端通过电阻R2接到运算放大器U1的输出端，该运算放大器U1输出端经电阻R3接在运算放大器U3的第一输入端，该运算放大器U3第一输入端经电阻R4接到运算放大器U3的输出端；运算放大器U2的第二输入端接在采样电感的负端，第一输入端通过电阻R5接到运算放大器U2的输出端，该运算放大器U2输出端经电阻R6接在运算放大器U3的第二个输入端，此输入端通过电阻R7-接地，运算放大器U3输出端经第一逻辑门U4后连接到第一驱动电路drive1的输入端，并经第二逻辑门U5后连接到第二驱动电路drive2的输入端，第一驱动电路drivel的输出端与第一开关Q1的控制端相连，第二驱动电路drive2的输出端与第二开关Q2的控制端相连；所述的第一逻辑门U4为非门，第二逻辑门U5为与门。
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