矿用超宽输入电压范围电源设计.pdf

第 4 2卷 第 6 期 2 0 1 6年 6月 工矿 自 动化 I ndus t r y a nd M i ne Aut o ma t i o n Vo 1 ． 4 2 NO ． 6 J u n ．2 0 1 6 文章 编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 1 6 0 6 0 0 5 7 0 4 DOI 1 0 ． 1 3 2 7 2 ／ j ． i s s n ． 1 6 7 1 2 5 1 x ． 2 0 1 6 ． 0 6 ． 0 1 4 刘亚辉． 矿用超宽输入电压范围电源设计E J 3 ． 工矿 自动化 ， 2 0 1 6 ， 4 2 6 5 7 6 0 ． 矿用超宽输入电压范围电源设计 刘 亚 辉 中煤科工集团重庆研究 院有限公司 ， 重庆4 0 0 0 3 9 摘要 针 对现 有 多输入 电压 等 级的矿 用隔爆 兼本 质安 全 型 电 源存在 电压 波 动 大 、 体 积 大、 维 护 困难 等 问 题 ， 提 出 了一 种矿 用超 宽输 入 电压 范 围电 源设 计 方案 。该 电源采 用 Bu c k拓 扑与 反激 拓 扑相 结合 的设 计 ， 可 将 AC 8 0 9 0 0 V 超 宽输入 电压转 换 为稳定 的 直流 电压 。试 验 结果 表 明 ， 该 电 源抗输 入 波动 能 力 强 ， 输 出电 压稳 定 ， 纹 波小 ， 效率 高 。 关键 词 隔爆 兼本 质安 全型 电源 ；超 宽输入 电压 范围 ； B u c k拓 扑 ； 反 激拓 扑 中图分类 号 TD6 0 文献 标志 码 A 网络 出版时 间 2 0 1 6 0 6 0 1 1 0 3 0 网络 出版 地址 h t t p ／ ／ www． c n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 3 2 ． 1 6 2 7 ． TP ． 2 0 1 6 0 6 0 1 ． 1 0 3 0 ． 0 1 4 ． h t ml De s i g n o f mi ne us e d po we r s up p l y wi t h s u p e r wi de i n pu t v o l t a g e r a ng e LI U Ya hui C CTEG Ch o n g q i n g Re s e a r c h I n s t i t u t e ，C h o n g q i n g 4 0 0 0 3 9 ，Ch i n a Ab s t r a c t For pr ob l e ms o f e x i s t i ng m i ne u s e d f l a me p r o o f a nd i nt r i n s i c a l l y s a f e t y pe p owe r s u pp l y wi t h m ul t i pl e i npu t v o l t a g e l e v e l s uc h a s l a r g e v ol t a ge f l u c t ua t i on， he a vy we i ght a nd d i f f i c u l t ma i n t e n a nc e，a d e s i gn s c he me o f m i n e u s e d p owe r s up pl y wi t h s u pe r wi de i npu t v o l t a g e r a n ge wa s p ut f o r wa r d．The p o w e r s upp l y us e s a c o m b i na t i on of Buc k t o po l o gy a nd Fl y ba c k t o po l o gy， a nd c a n c o nv e r t s u pe r wi d e i n put v o l t a ge o f AC8 0 9 0 0 V t o a s t a bl e DC v o l t a g e．Exp e r i me nt a l r e s u l t s s ho w t h a t t he p o w e r s u pp l y h as s t r o ng a nt i i np ut f l uc t ua t i o n p e r f or ma nc e，s t a bl e o ut put v ol t a ge ，l o w r i p pl e a nd hi g h e f f i c i e nc y． Ke y wo r d s f l a me p r o o f a n d i n t r i n s i c a l l y s a f e t y p e p o we r s u p p l y；s u p e r wi d e i n p u t v o l t a g e r a n g e ；Bu c k t op ol o gy；Fl yb a c k t o p ol o gy 0 引 言 目前 矿用 隔 爆兼 本 质 安 全 型 电 源_ 】 ] 主 要 分 为 两类 ① 可 以输 入单 一 电压等 级 的隔爆 兼 本 质安 全 型电源 ， 其对应 的输 入电压为 AC 8 0 ～2 6 0 V， 使 用 范 围有 限l_ 3 ； ② 可 以输入 多种 电压 等级 的隔爆 兼 本 质 安 全 型 电 源 ， 其 输 入 电 压 等 级 分 别 为 AC 1 2 7 ／ 2 2 0 ／ 3 8 0 ／ 6 6 0 V， 应 用 较 广 泛 ] 。第 二 类 电源 采 用 工频 变压 器加 抽 头方式 实 现非本 质 安全 电路 与本 质 安全 电路 的隔离及 多级 输 人 电压等 级 的转换 。由于 工频 变压 器体 积 较大 ， 使得 电源 的体积增 大 ， 导致 电 源箱 的重量 和成 本增 加 _ 5 ] 。该 种 电源在切 换 电压 等 级 时 ， 不仅 要根 据 电压等 级更 换相 应等 级 的保 险丝 ， 而且要保证切换抽头时输入电压等级与变压器电压 抽 头 等级相 对 应 ， 否 则会 造成 电源 故 障 ， 如烧 毁保 险 丝、 损坏后级电路等 。另外 ， 井下电源箱经常更换安 装 位 置 ， 而该类 电源 箱体 积 大 、 抽 头 多 ， 安装 和维 护 繁琐 ] 。设计 一 款矿 用超 宽输 入 电压范 围 电源 可解 决上 述 问题 。在超 宽 输 人 电压 范 围 电源 设 计 方 面 ， 参考文献 [ 7 ] 介绍 了一种基 于 电流模式 控制 芯片 L 6 5 6 5实现 的 AC 6 5 ～4 6 5 V 超 宽 输 入 电压 范 围准 谐振反激式开关电源。参考文献E 8 3 介 绍了一种利 收稿 日期 2 0 1 5 - 1 2 2 0 ； 修回 日期 2 0 1 6 0 4 2 8 ； 责任编辑 李 明。 基 金项 目 中国煤炭科 工集 团重庆研 究院 自立项 目 CQ1 6 0 3 作 者简介 刘 亚辉 1 9 8 1 一 ， 男 ， 河南 南阳人， 工程师 ， 现主要从 事矿用 电源、 电气 防爆技 术、 安全监 控系统 、 电子产 品可靠性设计 等技术 的研究 工作 ， E ma i l l i u y a h u i a a 1 6 3 ． C O N。 5 8 工矿 自动化 2 0 1 6年 第 4 2卷 用 电流控 制 型 芯 片 OB 2 2 6 9实 现 D C3 0 0 ～ 1 0 0 0 V 超宽输入 电压范围的反激电源。参考文献[ 9 ] 采用 双管 反激 拓扑 结构 设计 了一款 D C 3 0 0 ～ 2 5 0 0 V 输 入 、 2 4 V 输出的辅助电源样机 。参考文献E l o ] 介绍 了一 款输 入 范 围 为 AC 1 2 0 ～ 8 5 0 V、 具 有 自主变 频 功能的开关电源 。上述 电源均采用反激拓扑结构 ， 容 易导 致开关 管 因承 受高 压而被 击 穿 。 本 文提 出一 种矿用 超 宽输入 电压范 围 电源设计 方案。该电源结合 B u c k拓扑与反激拓 扑 ， 实现 了 超 宽输 人 电压 的变换 和非 本质 安全 电路 与本 质安 全 电路之 间 的隔离 。 1电源设 计方 案 矿 用 超 宽 输 入 电压 范 围 电源 主要 包 括 保 护 电 路 、 B u c k电路 、 反 激 电路 和安 全 栅 电路 ， 如 图 1所 示 。其 中 B u c k电路具有降压功 能， 避免 了采 用反 激拓 扑带 来 的开 关 管 高 耐 压 问题 _ 1 。反 激 电路 可 解决 矿 用 电 源 间 的 隔 离 问 题 ， 同 时 降 低 电 源 开 发 成本 。 ； 安 全 处 理 措 施 ； 图 1 超 宽输入 电压范围电源组 成 超 宽 输 入 电压 范 围 电源 设 计 思 路 在 B u c k电 路中需要将 AC 8 0 9 0 0 V宽输入电压分为高 、 低端 电压进 行 电压 转 换 ， 在输 入 低 端 电压 时 B u c k电路 不 做 降压转 换 ， 即输 出 的直 流 电压 等 于 输 入 直 流 电 压 ； 而 在 输 入 高 端 电压 时 B u c k电路 将 输 入 高 压 值 转 换 为 D C 3 0 0 V 左 右 。通过 B u c k电路 转换 后 ， 反 激 电路 的输 入 电压 约为 D C 7 5 ～3 2 0 V， 属 于 常 规 的 反激电路输入电压范 围。安全栅 电路较成熟 ， 本文 不 再 进 行 介 绍 ， 重 点 介 绍 B u c k电路 及 其 外 围保 护 电路 和安全 措施 。 l - 1保 护 电路 雷击 、 大型设备的启停等都会导致井下 电网产 生过电压 ， 容易使供电设备 的电源损坏 ， 甚至有些设 备因电气性能指标被破坏而不能满足矿用安全性能 要求 。设计保护电路是保证 电源安全性 的必要措 施。保护电路设计思路 设定交流输入电压超过最 高输 入 电压 的 5 时 ， 关 闭输 出 电压 ； 交 流 输入 电压 超过 最高 输入 电压 的 2 O ％时 ， 使输 入 端 与 后续 电路 完全处于断路状态。保护 电路如图 2所示 ， 其 中 L 和 N 为 交 流 输 入 端 ， V 为 直 流 输 入 电 压 ， V c 为 B u c k电路控制芯片 的工作 电压。一 次性保护 电路 原 理 当交 流输 入 电压有 效值 超过 1 1 0 0 V 时 ， 热 敏 电阻 Z NR 。 导通 ， 导 致 F 保 险丝 过 流 熔 断 ， 从 而 保 护后续 电路 。可恢 复 的保 护 电 路原 理 将 交 流输 入 电压转 换 为直 流 电压 并 检 测 直 流 电压 值 ， 当 直 流 电 压值超过 D C1 3 0 0 V 即交流有效值为 9 3 0 V时， 误 差放大器 U 导通 ， 使控制芯片电压 降低 ， 从 而 关 闭输 出 ； 当直 流 电压 值 低 于 D C 1 3 0 0 V 时 ， 误 差 放大 器 U 截 止 ， 控 制 芯 片 电压 输 出正 常 ， 从 而 恢 复 电源输 出 。 D ． L N F Q a 一次性保护 电路 b 可恢复的保护 电路 图 2保 护 电路 1 ． 2 B u c k电路 B u c k电路 如 图 3所 示 。该 电路 主 要 包 括 辅 助 电源 、 控制 单元 和 B u c k变换 单元 。辅助 电源 为 图 3 虚线框 内电路 ， 由启动 电路 、 耦合 辅 助 电源 和外 部 供 电电源组成 ， 为控制 芯片 u。提供稳 定 的 1 5 V 电 压。控制单元 由控制 芯片 u。及其外 围电路组 成。 控制 芯 片采用 UC C 2 8 C 4 2 ， 其静 态 功耗 小 ， 启 动 电流 低 至 5 O A， 工 作 电 流 为 2 ． 3 mA。稳 压 管 VR 、 VR z ， 电 阻 R 。 、 R 和光耦 U 组 成 电压 反馈 电路 ， 实 现 对输 出 电压 的控制 当输 出电压 大于 3 0 0 V 时 ， 光 耦 U 导 通 ， 控制 芯片 U。 的 管脚 C O MP电压 降 低 ， 导致 U。 管脚 O ／ P输 出 的 脉 冲 占空 比减 小 ， 反 之管 脚 O／ P输 出的脉 冲 占空 比增加 。为 了减少 电源开 关损 耗 ， 由电阻 R 、 R 三极 管 Q 、 Q。 等 组 成 图腾 柱 式驱 动 电路 ， 实现 了 以较 小 的控 制 电流 高速 驱 动 MOS管 Q 。过 流保护 电路 由 U。 ， 电阻 R 、 R 和 电 容 C 。 组成 。当电阻 R 上 的电压大 于 1 V 时 ， u。 将停止输出触发脉冲 ， 使开关管截止 ， 从而实现过流 保 护功 能 。 电源振 荡器 的频 率 ． 厂由 R。 和 C 决 定 ， 厂 一1 ． 8 ／ R。 C 。B u c k变 换 单元 由 M0 s管 Q 、 续 流二极 管 D 、 电感 L 和 电容 C 。 构 成 。 1 ． 3安 全 措 施 1 ． 3 ． 1 出 于安全 考 虑 的电路 设计 矿 用 超 宽 输 入 电 压 范 围 电 源采 用 两 级 变 换 设 2 0 1 6年 第 6期 刘 亚辉 矿 用超 宽输入 电压 范 围 电源设计 5 9 图 3基 于 B u c k拓 扑 的 电 源 电路 计 ， 当 B u c k电路中的 Q 出现人为短路故障或其他 1 ． 3 ． 3 隔离电容设计 原因引起的短路故 障时 ， 输入高压会直接加 载在反 GB 3 8 3 6 --2 0 1 0明确规定 对 于可靠 布置 的隔 激 电路的输入端， 影响后续电路 的安全性 。若 电源 离电容器 ， 2个 串联电容器 中的任一 电容器 都可认 中的某 个部 件 温度 大 于 1 5 0℃ ， 也 会 影 响 电 源 的安 为会 发生 短路 或开 路 故 障 ， 且 该 组 件 的 电容 量 应取 全 性 。为解 决上 述 问题 ， 增 加 了如 图 4所示 的保 护 任一 电容 器 的最 不 利 值 。 因此 ， 在 满 足 耐 压 要 求 的 电路。其中温度保险丝 F 。 用于解决 电源部件过热 基础上 ， 在输入、 输 出与地之间或输入与输 出之 间使 问题 ， 与 B u c k电路 中发热 量 最 大 的 Q 紧贴 ， 当 Q 用 的 电容 必 须 串联 2个 或 2个 以上 的 电容 ， 如 图 5 温度超 过 9 5℃时 ， F 将 交 流 输 入 电 源 与后 续 电 路 直 接 断 开 ， 从 而 保 证 电 源 的安 全 性 。为 解 决 B u c k 电路输 出过压 问题 ， 增加 了一级 过压 保护 电路 ， 即在 正常 条 件 下 B u c k 电路 的 输 出 电 压 不 会 超 过 D C 3 1 0 V， 晶闸管 S C R 不 触发 ， 而 一旦 出现故 障 ， 输 出 电压超 过 D C 3 6 0 V 时 ， 将 触 发 S C R 导 通 ， F 。保 险 丝熔 断 ， 从 而保 护 后续 电路 。 F1 NO - O厂 、 zD l 交流 I l I I 整 流 下 封 F1 滤 波 电 路 0 、√o Bu c k电路 图 4两级 保 护 电路 1 ． 3 ． 2 反激 电路 隔离 变压 器设 计 为保 证 电源 的安 全性 ， 在设 计 反 激 电路 中 的变 压器 时要 考 虑 3点 ① 需 在 变 压 器 输 入 、 输 出绕 组 问增 加接 地 铜箔 ， 铜 箔 屏 蔽应 设 置 2根 结 构 上 分 开 的接 地导 线 ， 每一 根 导 线 应 能 承 受熔 断器 或 断 路 器 动作 前 流过 的最 大持 续 电流 ， 并且 变压 器输 入 、 输 出 与 铜箔 之 间的耐 压需 达 到 2 U1 0 0 0 V 不低 于 AC 1 5 0 0 V， U为 额定 输入 电压 ； ② 输 入 、 输 出绕 组 间 耐压 需 达 到 2 U 1 0 0 0 V 不 低 于 AC 1 5 0 0 V ； ③ 输入 绕 组 导 线 应 能 承 受熔 断 器 或 断路 器 动 作 前 流过 的最 大持 续 电流 。 所示 。 L N 图 5隔离 电容的特殊设计 u T寸 uT一 2试 验及 结果分 析 - 在 5 0℃环境 温 度条件 下 ， 选取 正 常输入 电压 的 高 、 低端 对 电源进 行 温度 老化 性能测 试 ， 测试 结果 见 表 1 ， 主要为 B u c k电路中主要器件的温度值 。 表 1 5 0℃时 电源温度老化性能测试 数据 温度／ c 元件 一 AC 8 0 V输入 AC 9 0 0 V输入 从 表 1可 看 出 ， 在 5 O℃环 境 温 度 条件 下 ， B u c k 电路 的主要 器 件温 度 均 在 安全 范 围 内 ， 且 元 件 最 高 温度 为 7 9 ． 3℃ ， 低 于温度 保 险丝动 作温 度 。 一