負載電阻對開關變換器放電特性影響分析

(中國石油吉林石化分公司乙烯廠，吉林吉林 132000)

0 引言

開關變換器是安全開關電源的核心部分，其普遍應用于石油、化工、煤炭等危險場所，本安型防爆類型設備可以應用于0區，具有高的安全級別，同時設備具有體積小、重量輕等優點[2]，所以安全開關變換器系統一般設計為本質安全型。但其含有較大容量的儲能元件：電感和電容，在元件出現故障時，所產生的電火花很容易引起危險場所的爆炸，因此對于開關變換器在電容短路情況下，負載電阻對于其放電特性分析是具有重要意義的。

1 開關變換器結構及工作原理

圖1為開關變換器系統，一般輸入電源功率較大，不是本安電源，因此在安全區放安全柵，安全柵通常采用電阻、穩壓管和晶體管對電流和電壓進行限制，使本質安全開關變換器的輸入端能量得到限制。若電源是本安型的，則不需要安全柵進行控制，可直接接到本質安全開關變換器。

圖1 開關變換器系統[3]

如下圖2為本質安全型開關變換器結構原理圖，從圖中可以看出存在電感和電容兩種儲能元件，當電感斷開或者電容短路時，電路中能量均會引起電路產生火花，在危險場所引起爆炸。截止保護電路是起到切斷電源輸入，隔離電感和電容作用，從而避免發生爆炸。

圖2 本質安全型開關變換器結構原理圖

2 電容短路時能量組成

開關變換器工作模式分為連續導電模式(CCM)和不連續導電模式(DCM), 以Boost 開關變換器為研究對象，在連續導電模式下，圖3為電路，圖4為火花實驗時斷開和閉合的等效圖。

圖3 Boost開關變換器電路圖

圖4 火花實驗電路等效圖

當閉合時，短路釋放能量W包括在保護電路響應時間△t內電源和電感向短路出輸送的能量WS、WL，電容儲備的能量WC和負載電阻在持續放電時間內消耗的能量WR。

W=WS+WL+WC-WR

(1)

電容器的最大輸出電壓為VO,忽略波紋電壓，則

(2)

電阻在火花放電時平均電壓值為VH,火花持續放電時間為TC則

(3)

在響應時間△t內，電源和電感向短路出輸送的能量WS、WL，則轉移的最大能量

(4)

式中，ILP(CCM)—短路時電感電流的穩態值。

因此總能量WCCM為

WCCM=WSL,max+WC-WR

(5)

對RL求導可得

(6)

將參數帶入，可得導數大于零；同理對電壓求導，導數也大于零，由此可以推導出總能量隨著負載電阻(RL)和輸入電壓(Vi)的增加而變大。

同理可以推導Boost 開關變換器在不連續導電模式，總能量也符合這一規律。

3 負載電阻與短路電流和維持電壓關系

3.1 簡單電容電路

圖5為簡單電容電路圖，其中R0?R,若觸點為晶體管，則電容電壓和短路電流隨時間變化曲線如圖6所示，短路時電流瞬間達到最大，電壓逐漸變小。

圖5 簡單電容電路圖

圖6 短路放電曲線

若觸點為火花裝置兩極短路，即模擬人為將電容兩極短接，見圖7，由于情況復雜，可以通過多次試驗獲取短路放電曲線，圖8為相同R(560Ω)和Vi(18V)條件下，電容值不同時，電壓和電流變化情況，從圖中可以看出，電流出現兩次波峰，第一個波峰是介質被擊穿，電流瞬間變大，電壓急劇變小，此時溫度迅速上升，空氣爆裂，電極間為負阻抗；當電流上升到最大值，電子碰撞增加，氣體分子電離，產生發光效應，產生火花，電壓繼續下降，電阻增大，電流變??；此時火花電阻不變，電流很小，電壓持續下降，火花維持狀態；當兩極完全閉合，電流瞬間達到第二個峰值，電壓下降為零，電容剩余能量為電阻和電極吸收。

圖7 火花裝置兩極短路電路圖

圖8 火花裝置兩極短路放電曲線

綜上分析，能引起爆炸的能量主要是介質擊穿和產生火花的階段，即電流的第一個波峰階段，火花維持階段能量較小，第二個波峰能量主要被電阻和電極吸收。

3.2開關變換器電容短路放電特性

與模擬人為將電容兩極短接一樣，采用火花裝置進行實驗，針對Boost 開關變換器進行分析，圖9為Boost開關變換器電路圖，RL(36Ω)、Vi(18V)圖10為電容短路放電曲線。

圖9 Boost開關變換器電路圖

圖10 電容短路放電曲線

圖10與圖8相比較，發現不同主要在火花維持和火花熄滅階段。規律一：電阻變小，維持電壓下降變快，這是由于RL很小，火花電阻很大，導致電壓下降很快。規律二：電阻變小，短路電流下降變快。因此短路電流和維持電壓與負載電阻RL成正比關系。

4 結語

開關變換器工作模式包括連續導電模式和不連續導電模式,電容電路并聯的負載電阻是在一定范圍內變化的，本文推到了負載電阻對于火花點燃能量和短路電流的影響規律，但是對于降低開關變換器火花能量和提高其安全性能方面其他因素還有很多尚需分析。