劉亞輝

(中煤科工集團重慶研究院有限公司， 重慶　400039)

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礦用超寬輸入電壓范圍電源設(shè)計

劉亞輝

(中煤科工集團重慶研究院有限公司， 重慶400039)

針對現(xiàn)有多輸入電壓等級的礦用隔爆兼本質(zhì)安全型電源存在電壓波動大、體積大、維護困難等問題，提出了一種礦用超寬輸入電壓范圍電源設(shè)計方案。該電源采用Buck拓撲與反激拓撲相結(jié)合的設(shè)計，可將AC80～900 V超寬輸入電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的直流電壓。試驗結(jié)果表明，該電源抗輸入波動能力強，輸出電壓穩(wěn)定，紋波小，效率高。

隔爆兼本質(zhì)安全型電源； 超寬輸入電壓范圍； Buck拓撲； 反激拓撲

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160601.1030.014.html

0　引言

目前礦用隔爆兼本質(zhì)安全型電源[1-2]主要分為兩類：① 可以輸入單一電壓等級的隔爆兼本質(zhì)安全型電源，其對應(yīng)的輸入電壓為AC80～260 V,使用范圍有限[3]；② 可以輸入多種電壓等級的隔爆兼本質(zhì)安全型電源，其輸入電壓等級分別為AC127/220/380/660 V，應(yīng)用較廣泛[4]。第二類電源采用工頻變壓器加抽頭方式實現(xiàn)非本質(zhì)安全電路與本質(zhì)安全電路的隔離及多級輸入電壓等級的轉(zhuǎn)換。由于工頻變壓器體積較大，使得電源的體積增大，導(dǎo)致電源箱的重量和成本增加[5]。該種電源在切換電壓等級時，不僅要根據(jù)電壓等級更換相應(yīng)等級的保險絲，而且要保證切換抽頭時輸入電壓等級與變壓器電壓抽頭等級相對應(yīng)，否則會造成電源故障，如燒毀保險絲、損壞后級電路等。另外，井下電源箱經(jīng)常更換安裝位置，而該類電源箱體積大、抽頭多，安裝和維護繁瑣[6]。設(shè)計一款礦用超寬輸入電壓范圍電源可解決上述問題。在超寬輸入電壓范圍電源設(shè)計方面，參考文獻[7]介紹了一種基于電流模式控制芯片L6565 實現(xiàn)的AC65～465 V超寬輸入電壓范圍準(zhǔn)諧振反激式開關(guān)電源。參考文獻[8]介紹了一種利用電流控制型芯片OB2269實現(xiàn)DC300～1 000 V超寬輸入電壓范圍的反激電源。參考文獻[9]采用雙管反激拓撲結(jié)構(gòu)設(shè)計了一款DC300～2 500 V輸入、24 V 輸出的輔助電源樣機。參考文獻[10]介紹了一款輸入范圍為AC120～850 V、具有自主變頻功能的開關(guān)電源。上述電源均采用反激拓撲結(jié)構(gòu)，容易導(dǎo)致開關(guān)管因承受高壓而被擊穿。

本文提出一種礦用超寬輸入電壓范圍電源設(shè)計方案。該電源結(jié)合Buck拓撲與反激拓撲，實現(xiàn)了超寬輸入電壓的變換和非本質(zhì)安全電路與本質(zhì)安全電路之間的隔離。

1　電源設(shè)計方案

礦用超寬輸入電壓范圍電源主要包括保護電路、Buck電路、反激電路和安全柵電路，如圖1所示。其中Buck電路具有降壓功能，避免了采用反激拓撲帶來的開關(guān)管高耐壓問題[11]。反激電路可解決礦用電源間的隔離問題，同時降低電源開發(fā)成本[12]。

圖1　超寬輸入電壓范圍電源組成

超寬輸入電壓范圍電源設(shè)計思路：在Buck電路中需要將AC80～900 V寬輸入電壓分為高、低端電壓進行電壓轉(zhuǎn)換，在輸入低端電壓時Buck電路不做降壓轉(zhuǎn)換，即輸出的直流電壓等于輸入直流電壓；而在輸入高端電壓時Buck電路將輸入高壓值轉(zhuǎn)換為DC300 V左右。通過Buck電路轉(zhuǎn)換后，反激電路的輸入電壓約為DC75～320 V，屬于常規(guī)的反激電路輸入電壓范圍。安全柵電路較成熟，本文不再進行介紹，重點介紹Buck電路及其外圍保護電路和安全措施。

1.1保護電路

雷擊、大型設(shè)備的啟停等都會導(dǎo)致井下電網(wǎng)產(chǎn)生過電壓，容易使供電設(shè)備的電源損壞，甚至有些設(shè)備因電氣性能指標(biāo)被破壞而不能滿足礦用安全性能要求。設(shè)計保護電路是保證電源安全性的必要措施。保護電路設(shè)計思路：設(shè)定交流輸入電壓超過最高輸入電壓的5%時，關(guān)閉輸出電壓；交流輸入電壓超過最高輸入電壓的20%時，使輸入端與后續(xù)電路完全處于斷路狀態(tài)。保護電路如圖2所示，其中L和N為交流輸入端，VIN為直流輸入電壓，VCC為Buck電路控制芯片的工作電壓。一次性保護電路原理：當(dāng)交流輸入電壓有效值超過1 100 V時，熱敏電阻ZNR1導(dǎo)通，導(dǎo)致F1保險絲過流熔斷，從而保護后續(xù)電路?？苫謴?fù)的保護電路原理：將交流輸入電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓并檢測直流電壓值，當(dāng)直流電壓值超過DC1 300 V即交流有效值為930 V時，誤差放大器U1導(dǎo)通，使控制芯片電壓VCC降低，從而關(guān)閉輸出；當(dāng)直流電壓值低于DC1 300 V時，誤差放大器U1截止，控制芯片電壓VCC輸出正常，從而恢復(fù)電源輸出。

(a)一次性保護電路(b)可恢復(fù)的保護電路

圖2保護電路

1.2Buck電路

Buck電路如圖3所示。該電路主要包括輔助電源、控制單元和Buck變換單元。輔助電源為圖3虛線框內(nèi)電路，由啟動電路、耦合輔助電源和外部供電電源組成，為控制芯片U3提供穩(wěn)定的15 V電壓?？刂茊卧煽刂菩酒琔3及其外圍電路組成。控制芯片采用UCC28C42，其靜態(tài)功耗小，啟動電流低至50 μA，工作電流為2.3 mA。穩(wěn)壓管VR1、VR2，電阻R10、R11和光耦U2組成電壓反饋電路，實現(xiàn)對輸出電壓的控制：當(dāng)輸出電壓大于300 V時，光耦U2導(dǎo)通，控制芯片U3的管腳COMP電壓降低，導(dǎo)致U3管腳O/P輸出的脈沖占空比減小，反之管腳O/P輸出的脈沖占空比增加。為了減少電源開關(guān)損耗，由電阻R12、R13,三極管Q2、Q3等組成圖騰柱式驅(qū)動電路，實現(xiàn)了以較小的控制電流高速驅(qū)動MOS管Q4。過流保護電路由U3,電阻R7、R15和電容C2組成。當(dāng)電阻R15上的電壓大于1 V時，U3將停止輸出觸發(fā)脈沖，使開關(guān)管截止，從而實現(xiàn)過流保護功能。電源振蕩器的頻率f由R8和C4決定，f=1.8/(R8C4)。Buck變換單元由MOS管Q4、續(xù)流二極管D4、電感L1和電容C9構(gòu)成。

1.3安全措施

1.3.1出于安全考慮的電路設(shè)計

礦用超寬輸入電壓范圍電源采用兩級變換設(shè)計，當(dāng)Buck電路中的Q4出現(xiàn)人為短路故障或其他原因引起的短路故障時，輸入高壓會直接加載在反激電路的輸入端，影響后續(xù)電路的安全性。若電源中的某個部件溫度大于150 ℃，也會影響電源的安全性。為解決上述問題，增加了如圖4所示的保護電路。其中溫度保險絲F2用于解決電源部件過熱問題，與Buck電路中發(fā)熱量最大的Q4緊貼，當(dāng)Q4溫度超過95 ℃時，F(xiàn)2將交流輸入電源與后續(xù)電路直接斷開，從而保證電源的安全性。為解決Buck電路輸出過壓問題，增加了一級過壓保護電路，即在正常條件下Buck電路的輸出電壓不會超過DC310 V，晶閘管SCR1不觸發(fā)，而一旦出現(xiàn)故障，輸出電壓超過DC360 V時，將觸發(fā)SCR1導(dǎo)通，F(xiàn)3保險絲熔斷，從而保護后續(xù)電路。

圖3　基于Buck拓撲的電源電路

圖4　兩級保護電路

1.3.2反激電路隔離變壓器設(shè)計

為保證電源的安全性，在設(shè)計反激電路中的變壓器時要考慮3點：① 需在變壓器輸入、輸出繞組間增加接地銅箔，銅箔屏蔽應(yīng)設(shè)置2根結(jié)構(gòu)上分開的接地導(dǎo)線，每一根導(dǎo)線應(yīng)能承受熔斷器或斷路器動作前流過的最大持續(xù)電流，并且變壓器輸入、輸出與銅箔之間的耐壓需達到2U+1 000 V(不低于AC1 500 V,U為額定輸入電壓)；② 輸入、輸出繞組間耐壓需達到2U+1 000 V(不低于AC1 500 V)；③ 輸入繞組導(dǎo)線應(yīng)能承受熔斷器或斷路器動作前流過的最大持續(xù)電流。

1.3.3隔離電容設(shè)計

GB3836—2010明確規(guī)定：對于可靠布置的隔離電容器，2個串聯(lián)電容器中的任一電容器都可認為會發(fā)生短路或開路故障，且該組件的電容量應(yīng)取任一電容器的最不利值。因此，在滿足耐壓要求的基礎(chǔ)上，在輸入、輸出與地之間或輸入與輸出之間使用的電容必須串聯(lián)2個或2個以上的電容，如圖5所示。

圖5　隔離電容的特殊設(shè)計

2　試驗及結(jié)果分析

在50 ℃環(huán)境溫度條件下，選取正常輸入電壓的高、低端對電源進行溫度老化性能測試，測試結(jié)果見表1，主要為Buck電路中主要器件的溫度值。

表1　50 ℃時電源溫度老化性能測試數(shù)據(jù)

從表1可看出，在50 ℃環(huán)境溫度條件下，Buck電路的主要器件溫度均在安全范圍內(nèi)，且元件最高溫度為79.3 ℃，低于溫度保險絲動作溫度。

在輸入電壓為AC900 V且輸出滿載條件下對Buck電路中的主要器件波形進行可靠性分析，測試結(jié)果如圖6所示?？煽闯鯩OS管Q4D-S間的最大電壓為1.31 kV，與MOS管1.5 kV的耐壓相比有足夠的余量；續(xù)流二極管D4的最大電壓為1.23 kV，與二極管1.5 kV的耐壓相比有足夠的余量；電感無飽和跡象。

(a) MOS管Q4D-S電壓波形

(b) 續(xù)流二極管D4電壓波形

(c) 電感L1電流波形

表2為常用電壓等級測試結(jié)果，其中Uin為輸入電壓，Pin為輸入功率，φ為功率因數(shù)，Uout為輸出電壓，Pout為輸出功率，η為效率，Upk為紋波電壓?？煽闯鲈贏C80～900 V輸入電壓范圍內(nèi)，電源輸出電壓的精度均在0.5%以內(nèi),最大紋波電壓為53 mV，

表2　電源常用電壓等級測試結(jié)果

電源整體效率均大于63.3%。

表3為電源耐壓測試及絕緣電阻測試結(jié)果?？煽闯鲭娫凑麢C的漏電流都不大于0.55 mA，絕緣電阻值都不小于50 MΩ，完全滿足GB3836—2010要求。

表3　電源耐壓測試及絕緣電阻測試結(jié)果

3　結(jié)語

超寬輸入電壓范圍電源電路采用Buck拓撲與反激拓撲相結(jié)合的方式，解決了電源超寬范圍輸入和輸入與輸出隔離問題。實驗結(jié)果表明，在AC80～900 V輸入電壓波動下，電源抗輸入波動能力強，輸出電壓穩(wěn)定，紋波小，效率高，滿足礦用電氣設(shè)備要求。

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Design of mine-used power supply with super wide input voltage range

LIU Yahui

(CCTEG Chongqing Research Institute, Chongqing 400039, China)

For problems of existing mine-used flameproof and intrinsically safe type power supply with multiple input voltage level such as large voltage fluctuation, heavy weight and difficult maintenance, a design scheme of mine-used power supply with super wide input voltage range was put forward. The power supply uses a combination of Buck topology and Flyback topology, and can convert super wide input voltage of AC80-900 V to a stable DC voltage. Experimental results show that the power supply has strong anti input fluctuation performance, stable output voltage, low ripple and high efficiency.

flameproof and intrinsically safe type power supply; super wide input voltage range; Buck topology; Flyback topology

1671-251X(2016)06-0057-04

10.13272/j.issn.1671-251x.2016.06.014

2015-12-20；

2016-04-28；責(zé)任編輯：李明。

中國煤炭科工集團重慶研究院自立項目(CQ1603)。

劉亞輝(1981-)，男，河南南陽人，工程師，現(xiàn)主要從事礦用電源、電氣防爆技術(shù)、安全監(jiān)控系統(tǒng)、電子產(chǎn)品可靠性設(shè)計等技術(shù)的研究工作，E-mail:liuyahuiaa@163.com。

TD60

A網(wǎng)絡(luò)出版時間：2016-06-01 10:30

劉亞輝.礦用超寬輸入電壓范圍電源設(shè)計[J].工礦自動化，2016,42(6)：57-60.