高杰敏　徐建平

(上海理工大學光電信息與計算機工程學院1，上?！?00093；上海工業(yè)自動化儀表研究院2，上海　200233)

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齊納安全柵瞬態(tài)效應的測試系統(tǒng)

高杰敏1徐建平2

(上海理工大學光電信息與計算機工程學院1，上海200093；上海工業(yè)自動化儀表研究院2，上海200233)

針對傳統(tǒng)安全柵測試評估手段的不完善，為滿足國家標準中二極管安全柵的型式試驗，設計了一種齊納安全柵瞬態(tài)效應的測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)以齊納二極管為研究對象，從本質安全的角度，分析了運行在最不利條件下的齊納二極管預先擊穿時間。通過試驗確定脈沖電流的寬度與幅值；以絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)為核心元件，并采用大電容儲能網(wǎng)絡，設計了脈動電流源。實踐表明，該測試技術有效地驗證了安全柵承受瞬態(tài)效應，為確保防爆安全提供依據(jù)。

安全柵齊納二極管瞬態(tài)效應本質安全防爆安全預先擊穿時間脈沖電流脈寬IGBT

0　引言

近年來，隨著大型現(xiàn)代化鋼鐵、煤炭、石油化工企業(yè)的高速發(fā)展，以及自動化程度的不斷提高，在涉及爆炸性物質的生產、運輸、加工處理以及儲存等過程中，都存在爆炸危險性。在本安防爆技術中，安全柵作為一種典型、常見的關聯(lián)設備，能夠隔離危險區(qū)域與安全區(qū)域，有效地保護現(xiàn)場設備及人員的安全。目前，國內的安全柵發(fā)展速度較快，模擬信號用安全柵、開關/數(shù)字信號用安全柵、帶通信功能(HART)的安全柵、適合現(xiàn)場總線的安全柵都有長足的發(fā)展。若考慮結構形式，安全柵可以廣義地分為齊納安全柵和隔離安全柵。齊納安全柵又稱二極管安全柵，它的原理簡單、價格低廉，但是它對電源影響較大，同時也容易因電源的波動而造成自身的損壞。因此，二極管安全柵的安全性能有待提高。本文針對二極管安全柵的型式試驗,即齊納安全柵的瞬態(tài)效應，進行測試系統(tǒng)的設計與分析。

1　二極管安全柵

1.1二極管安全柵結構

二極管安全柵的典型電路如圖1所示。它由快速熔斷器(FU)、限壓二極管(齊納二極管VD1、VD2)和限流元件(R1、R2)構成。

圖1　二極管安全柵典型電路

安全柵本安端子與非本安端子間的距離應不小于50 mm。二極管安全柵應設有兩個接地端子，其截面積不小于4 mm2。非接地的安全柵端子應有防護罩。二極管安全柵電路元器件應依次排列，并用環(huán)氧樹脂澆封在外殼中[1]。

二極管安全柵的安全保護作用，實際上是運用齊納二極管的分流作用以及電阻的限流作用，對輸入的能量進行限制，以確保本安回路的安全性。

1.2二極管安全柵型式試驗內容

GB 3836.4-2010中的10.8對型式試驗有相應規(guī)定。

制造商數(shù)據(jù)表明,當該電流下預先擊穿時間大于50 μs時，該電流脈沖寬度將變成實際預先擊穿時間。當實際預先擊穿時間不可能從制造商獲得現(xiàn)成數(shù)據(jù)時，10只熔斷器應承受上述預期電流，并測定預先擊穿時間。該值應大于50 μs[2]。

2　測試系統(tǒng)設計方案

本文設計的測試系統(tǒng)如圖2所示。

圖2　系統(tǒng)示意圖

市電輸入經(jīng)過隔離變壓和整流濾波后，得到平滑的直流高電壓，然后給儲能電路充電。與此同時，脈沖發(fā)生電路產生滿足試驗要求的脈沖信號，經(jīng)過脈沖驅動電路放大后使其能夠驅動高速開關電路。儲能電路在達到臨界電壓后，便可在高速開關電路開通的瞬間產生脈沖電流，對負載進行試驗。

3　工作原理

3.1充電電路

在防爆認證體系中，二極管安全柵設計的輸入通常為24 V，但是在電路考核時是按輸入電壓的最不利條件考慮的。在型式試驗要求中，輸入電壓應為峰值電壓Um。GB 3836.1-2010的中3.15.11規(guī)定，最高電壓(交流有效值或直流值)Um是可施加到關聯(lián)設備的非限能連接裝置上，且不會使防爆型式失效的最高電壓[3]。不同的連接裝置，其Um也不相同。所以，當輸入市電220 V電壓后，經(jīng)過變壓器產生多個工作電壓，如110 V、180 V、250 V等。通過旋轉開關調節(jié)選擇相應的電壓檔；之后加到全橋整流電路上輸出直流電壓，通過充電電阻給儲能電路充電。充電電路還包括檢測電路和保護電路。檢測電路如圖3所示。

圖3　檢測電路

檢測電路主要由開關S1、光耦O1、三極管Q1、繼電器G以及穩(wěn)壓管支路等組成。根據(jù)充電電路中不同的工作電壓，同步選擇不同的穩(wěn)壓管支路導通，確保實現(xiàn)負載所需的電壓檔。當儲能電路上的電壓達到臨界電壓后，檢測電路中的穩(wěn)壓管導通，通過光耦O1控制三極管Q1導通，使得繼電器G工作切斷充電電路，充電過程結束。當儲能電路充電后長時間不用時，可通過保護電路手動將儲能電路上的能量釋放，避免儲能電路因長時間處于高壓狀態(tài)而導致元器件損壞。

3.2儲能電路

為了在一定電壓下獲得盡可能大的電流，本設計通過若干電容器并聯(lián)放電。儲能電路就是RC充放電電路，由充電限流電阻、放電限流電阻和儲能電容組成。

對于任意時刻t，電容電壓Ut為：

Ut=Um(1-e-t/RC)

(1)

由式(1)可得，當t=3RCCx時，Ut近似為Um。相似地，放電時間Tf=3RfCx。值得注意的是，儲能電路的放電時間應大于試驗需要的脈沖電流持續(xù)時間，這樣才能實現(xiàn)5次連續(xù)脈沖的輸出。

3.3高速開關電路

本設計中，高速開關電路開通時間決定了所產生的脈沖電流脈寬。而高速開關電路選擇絕緣柵雙極型晶體管(insulated-gate bipolar transistor，IGBT)作為核心元件。IGBT綜合了雙極型三極管BJT和絕緣柵型場效應管MOS兩種器件的優(yōu)點，驅動功率小而飽和壓降低，且開關速度高、開關損耗小，能夠滿足高速、大功率的輸出要求。整個系統(tǒng)的輸出電路如圖4所示。圖4中，齊納二極管即為測試的負載。

圖4　輸出電路

3.4脈沖發(fā)生電路

脈沖發(fā)生電路采用555電路構建的多諧振蕩器來產生矩形脈沖方波。由R1、R2、R3構成外圍電路，通過調節(jié)電阻R1、R2和電容C1的大小，可以調節(jié)產生矩形脈沖的寬度和頻率。

通過試驗可知，由555電路產生的脈沖方波并不能滿足試驗的要求。因此，在脈沖產生電路后需要進行脈沖整形。脈沖整形利用74LS123電路組成的單穩(wěn)態(tài)電路，對矩形脈沖方波進行脈寬成型。通過定時電阻Rw和外接電容Cw來控制脈沖的寬度[4]。

3.5報警電路

整個系統(tǒng)還包含了報警電路(如圖4中的蜂鳴器)。當輸出端接線柱接入負載時，若二極管DX承受住脈沖試驗而沒有損壞，蜂鳴器不工作、不報警。此時，當IGBT導通時，三極管Q4導通，使得三極管Q5基極與發(fā)射極間電壓為0，Q5處于截止區(qū)，蜂鳴器不工作。若二極管DX因承受不住脈沖試驗而損壞，蜂鳴器則會高頻報警。因為一般情況下，二極管DX在過流時會燒壞PN結形成開路，在過壓時擊穿PN結形成短路。而在過壓擊穿形成短路后，二極管DX上的電流大于極限值，會燒壞PN結形成開路。所以此時三極管Q5導通，蜂鳴器高頻報警以提示輸出端接線柱帶高壓電，必須等輸出開關切斷，無報警信號方可對輸出端進行操作。

此外，當輸出端接線柱未接入負載時，若由于誤操作，閉合了輸出開關S5，則此時和二極管DX損壞時的情況相同，輸出端接線柱帶高壓電，蜂鳴器高頻報警。此時不可接入負載，以確保人身及設備安全。

4　算例分析

4.1參數(shù)設計

4.1.1脈沖發(fā)生器

型式試驗要求的振蕩周期為20 ms、充電時間為15 ms、放電時間為5 ms，則振蕩周期T、電容充電時間T1、電容放電時間T2分別為：

T=0.69(R1+2R2)C1=20ms

(2)

T1=0.69(R1+R2)C1

(3)

T2=0.69R2C1

(4)

取C1為4.7μf，則R2為1.5kΩ、R1為3kΩ。

4.1.2脈寬成型

型式試驗要求的最小電流脈寬為50μs。而脈寬tw由電阻Rw和電容Cw來控制[5]。根據(jù)型式試驗要求，當Cw>1 000pf時，脈寬為:

tw=4.5RwCw

(5)

取Cw為10 μf，則Rw約為10 kΩ。調節(jié)電阻Rw，可調節(jié)脈寬大小。

4.1.3IGBT模塊選型

根據(jù)承受電壓和通態(tài)電流這兩個參數(shù),來選擇IGBT模塊。

①IGBT模塊額定電壓。

IGBT集電極與發(fā)射極間的穩(wěn)態(tài)最大電壓為：

(6)

式中：a為電網(wǎng)波動值，為10%；k為安全裕量，為1.1；Um為峰值電壓[6]。

經(jīng)計算，當Um取最大值250V時，Ucemax=430V。

在實際的工作電路中，需要考慮到電網(wǎng)波動、過載、開關過程引起的電壓尖峰等因素，因此通常電力電子設備選擇IGBT器件耐壓都是直流母線電壓的1.5倍至2倍。

②IGBT模塊通態(tài)電流。

(7)

式中：η為電流的效率，為0.9;D為占空比，取最大值0.9;Umin為整流輸出最小電壓；P0為輸出功率。

經(jīng)計算，當Umin為225V時，Icm=160A。

考慮到1.5倍以上的安全裕量，可以選擇300A的IGBT模塊。

4.1.4脈沖電流的幅值與脈寬

根據(jù)力特AxialLead&CartridgeFuses的219系列，選擇額定電流In為0.1A的熔斷器進行脈沖寬度的計算。

①脈沖電流峰值:

(8)

②熔化熱能值:

I2t=41.542×41.542×t=0.079A2s

(9)

③預飛弧時間:

(10)

由試驗要求可知，已知熔斷器的預飛弧時間，便可得脈沖電流的寬度。經(jīng)計算，t<50μs，所以脈動電流源產生的脈沖電流的寬度為50μs。若計算后，t>50μs,則應調整脈沖電流的寬度[7]。

4.2仿真結果

圖5為脈寬成型后的脈沖波形。

圖5　脈沖發(fā)生信號波形

由圖5可見，此時的脈沖信號幅值為12V，振蕩周期為20ms，脈沖寬度為50μs。

首先，在multisim中繪制測試系統(tǒng)電路圖，各元器件的參數(shù)值依據(jù)4.1節(jié)進行設置。最后將各元器件連入TektronixOscilloscope進行仿真觀察。

由于TektronixOscilloscope只能顯示電壓波形，所以需要在高速開關電路中串聯(lián)一個電流表，顯示脈沖電流峰值。高速開關電路中輸出的脈沖波形如圖6所示。

圖6　脈沖輸出波形

由圖6可見，測試系統(tǒng)最終輸出的脈沖波形光滑、無振蕩，振蕩周期為20ms，脈寬接近為50μs。而且此時電流表顯示的脈沖電流幅值為40.789A，仿真結果基本符合公式理論的計算結果，可滿足型式試驗的要求。

5　結束語

針對我國安全柵種類繁多而測試評估手段不完善的局面，本文設計了一種滿足國家標準二極管安全柵型式試驗的測試系統(tǒng)。該測試系統(tǒng)有效地驗證了二極管安全柵的安全性能指標，同時它具有保護電路和報警電路等完善的保護措施，確保了設備以及人身安全。本文通過分析二極管安全柵的脈沖試驗，設計了相應的測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)為安全柵檢驗提供了一種有效的方法，為確保防爆安全提供了有利的依據(jù)。

[1] 徐建平.“防爆安全技術”講座:安全柵與安全儀表安全參數(shù)的確定[J].自動化儀表，2008，29(12):75-79.

[2] 國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB3836.4-2010 爆炸性環(huán)境第4部分：由本質安全型“i”保護的設備[S].北京：中國標準出版社，2010.

[3] 國家質量監(jiān)督檢驗檢疫總局.GB3836.1-2010 爆炸性環(huán)境第1部分：設備通用要求[S].北京：中國標準出版社，2010.

[4] 馬天翔.50A大功率脈沖恒流源技術研究與實現(xiàn)[D].吉林:吉林大學，2012.

[5] 趙娟，賈興，朱利君，等.15A大負載連續(xù)脈沖電流源[C]//全國第二屆特種電源與元器件學術年會論文集，2002.

[6] 楊勝.大功率高頻微秒級脈沖電流源的研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學，2012.

[7] 張曦，李長坤.二極管安全柵和安全分流器的型式試驗探討[J].電氣防爆，2010，2(8):41-42.

Test System for Transient Effects of Zener Safety Barrier

Aiming at the shortages of traditional test and evaluation method for safety barriers,and for achieving the type test of diode safety barrier in accordance with the national standard,a novel test system for the transient responses of Zener safety barrier is designed.For intrinsic safety,the system takes the Zener diode as the research object; the pre-breakdown time of Zener diode under the worst conditions is analyzed.Through experiments,the width and amplitude of the pulse current are determined,insulated-gate bipolar transistor(IGBT) is selected to be the core component,and the pulse current source is designed by adopting large capacitance energy storage network.The practice shows that the test technology effectively verifies the safety barriers can bear transient effects,and provides basis of ensuring explosion-proof safety.

Safety barrierZener diodeTransient effectIntrinsic safetyExplosive-proof safetyPre-breakdown timePulse currentPulse widthInsulated-gate bipolar transistor (IGBT)

高杰敏(1992—)，男，現(xiàn)為上海理工大學控制工程專業(yè)在讀碩士研究生；主要從事本安元器件測量技術的研究。

TH7;TP27

A

10.16086/j.cnki.issn 1000-0380.201609019

修改稿收到日期：2016-02-28。