矿用本安开关电源的设计与性能研究
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该电路的设计需要大容量的电容支持，与整流 器并联，存在于输入端与负载端之间。通过检测电路 的状态，检测电容的直流电压等，依据产生不同的 特性获得最佳的直流电压。该电路损失因数相对较 低，设计的优越性较强。所设计的输入整流滤波电路
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在普通电路的基础上进行改良，改良内容主要包括在 原本电路基础上添加电容器和二极管，可供选择的连 接方式为串联或并联。输入整流滤波器的电路如图 1 所示。
本安安全型直流高压开关电源和普通直流高压 开关电源的主要区别之处在于，在开关电路可能发生
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2021 年 3 月 25 日第 38 卷第 6 期
Telecom Power Technology
Ｍａｒ． ２５， ２０２１， Ｖｏｌ．３８ Ｎｏ．６
开关故障时，本安安全型直流高压开关电源将出现火 花，所需要释放出来的最大能量电流控制在一定安全 能量范围内。对于那些输出电路功率小，并且需要无 恒流电压稳定的电路，要求所需的直流稳压开关电源 具备高输出特点，可直接在一个输出输入端内部连接 限流稳压电阻，或者通过增大任一开关电源内部的限 流外阻容量，降低输出控制电路最低限能，保证电源 高输出。而对于那些输出电路功率较小，为保证所需 的各种本安型直流稳压开关电源满足恒流电压稳定的 高输出要求，不仅需要具备恒流稳压或者恒流限压及 约束和控制恒流短路功能，还要保证电流过载或者存 在限压短路，且可快速控制切断超负荷过流电压等。 依据安全保护措施，减少控制电路输出能量，保证开 关电源能够满足各种本安上安全和稳定的高性能输出 要求。过载整流减压保护控制电路的过载整流减压保 护方式包括 3 类，分别为三级限流型、截流型以及三 级减压过载电流型。这 3 类可以广泛应用于不同的过 流保护控制电路，但均需严格要求其过流保护电路动 作快且稳定，并必须具有良好的保护性能 [5]。
电路保护，避免出现输入相串的情况，展现隔离电路 保护的多元化。因此除了要求本安开关电源具备很宽 的输入和电压区间，还应该要求保护电源在正常工作 时具备较高的可靠度，并不断缩减体积，确保在故障 下可自行恢复。
2 本安型开关电源技术性能要求
开关工作在易燃易爆的高危险环境中，与一般 的地暖开关相比具有更高的特殊要求，其技术性能要 求如下。 2.1 输入和外部输出端之间必须注意做到内部电气 完全隔绝
Keywords: mine; intrinsically safe switch; power supply design; switch performance
0 引 言
电源属于电气设备的心脏，其本安性设计是整个 本安系统的基础。一旦电容出现火花或电感短路时产生 电火花，就会导致能量集中释放。因此，必须要选择 安全等级较高的开关电源，确保运行质量与效率。输 入式整流滤波电路是整个供电系统中存储能量较大的 组成部分，通过注重本安电源电路管理，提高供电系 统运行质量 。 [1-3]
摘要：根据相关调查，由矿用移动电源直接引起的安全故障约占 60%。因此需要对矿用电源进行安全监管，在 全体矿工正常使用电源设备情况下，保证其人身生命安全。因电气设备的电气故障，使得煤矿事故时有发生。本安 电源是矿用设备最关键的部分，这种电源在正常工作和故障状态下输出的最高电压和最大电流均具有本安性能，因 此有必要设计简单可靠的本安电源。
该框架结构设计不需要先进行变压器电容量降 低处理，基于整流式滤波电路获得一个更加接近直流 的电压，这一方式主要是由变换器电路内的分压电阻 和基准电压形成反馈实现。通过达到一个接近直流的 电压，基于 DC/DC 变换器控制输出电压。PWM 控制 器能够实现对电压与电流的双闭环控制，可提升电压 的自动调整速度及负载自动调整速度，此外借助整流 滤波电路可开展对第二级过滤电压的协同保护。 3.2 输入整流滤波器的电路
一般情况下，本安型直流开关电源的交流输入 端属于交流输入高压端，安全性能较好，而其直流输 出输入侧能量对应于非本安型直流高压输出能量。为 了有效防止其直流输入输出侧内的能量通过转移推进 至非本安端，影响本安型开关电源的安全性直流输出 性能，要求其电源输入和输出之间必须进行电气电阻 隔离。电气电阻隔离组成包括电气变压器电阻、电压 隔离、继电器、安全栅电阻隔离及各种光电耦合器 [4]。 2.2 输出必须正确设置好作为具有限流功能电流保 护输出电路
线性光耦电流传输特性曲线直线部分比较长， 电流传输比较为稳定，非线性光耦则很短。由于在电 源振荡器的波形上直接使用非线性的电光耦合器，会 直接导致电源振荡器的波形性能发生较大变化，因此 建议选用非线性的电光耦合器来直接控制电源反馈控 制通道。非线性电光耦合器和非线性电源稳压管能够 隔离直流开关电源的信号输出、电源输入以及两者之 间的电气信号。在此基础上建设起来的电源反馈控制 通道能够避免发生电源占空现象，可有效提升功率的 稳定性，应用优势显著 [8]。选择这类安全设计能够 顺应时代潮流，提升无线开关电源在线安全性能，凸 显其本安开关价值。为避免三级连接管上的开关电源 受到连接电路、电源短路、开关电流加速以及电压增 加等因素影响，产生开关电路被堵和开关电路烧毁等 异常现象，需要截止电路异常工作和电源短路线路中 异常的三极管 QA，电路经过整流器后继续整流，经 过后续的三相稳压器整流，直接构建稳定的三相交流 电。如此，便可确保其后续驱动电路控制系统发挥价 值，实现长期且有效的控制。
180
VCE=5V Ta=25℃
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0
1
2
5
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正向电流/mA
（a）线性光耦电流传输特性曲线
1. 4 VCE=5 V
1. 2 Ta=25 ℃
1. 0
正常电流 IF=10mA
0. 8
0. 6
0. 4
0. 2
0. 0 0
5
10
15
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正向电流/mA
（b）非线性光耦电流传输特性曲线 图 3 电流传输特性曲线
1 本安开关电源的特点
由于煤矿井本安开关是在比较特殊的情况下作 业，因此其与家用开关存在较大的区别。首先，本安 电源开关需要借助合理的方式，限制放电分路火花产 生的放射能源，并限制放电电流，控制放电的电压。 其次，保护输入开关端，进行适当的电气隔离，本安 电路输入端要与非本安进行安全交流，一同开展高压
2021 年 3 月 25 日第 38 卷第 6 期
ｄｏｉ：10.19399/ki.tpt.2021.06.056
Telecom Power Technology
Ｍａｒ． ２５， ２０２１， Ｖｏｌ．３８ Ｎｏ．６
运营探讨
矿用本安开关电源的设计Байду номын сангаас性能研究
王 笑，余智勇，代创伟 （神木职业技术学院 机电工程系，陕西 神木 719300）
电流式 PWM 控制技术选择的是典型的闭环式控 制系统，可弥补电压控制缺陷，稳定性与输入电压调 节效果较好，限流功能比较明显，可瞬态响应特性， 同时能够实现效率的线性调节，且不会受到任何电感 的影响，信号输出较好。本文选择的是电流型 PWM 控制技术，以此实现对电路的系统性控制，控制系统 内只需要借助一个芯片与电器元件连接，就能够实现 双闭环的控制，共同控制电流与电压，以此精准地简 化电源设计，提供最佳解决方案，减少运行成本。 3.4 设计自动反馈控制电路
Abstract: According to the relevant investigation, about 60% of the safety faults are directly caused by the mine mobile power supply. It is necessary to carry out safety supervision on the mine power supply, so as to ensure the life safety of all miners under the normal use of power supply equipment. Due to the electrical failure of electrical equipment, coal mine accidents occur from time to time. Intrinsically safe power supply is the most critical part of mine equipment intrinsically safe. Under normal working and fault conditions, the highest output voltage and current of this power supply have intrinsically safe performance. Therefore, it is necessary to design a simple and reliable intrinsically safe power supply.
C2 0. 1µ F
R1 0. 5 kΩ
C3 0. 1µF
R2 1 kΩ
C1 0. 2µF
R3 1 kΩ
R1 0. 5kΩ
Rf 950 Ω
LM741 +
图 1 输入整流滤波器的电路
在电容 C2 和滤波电容 C3 内串联电阻 R2 与 R3， 对比改进之后的电路与普通电路，增加了导通多角度， 改善电流的波形，提升功率因数。开关电阻的串联形 式限制了开关电容器所放电的能量，使得此类电路更 好地保护了开关电源的实际安全 [7]。 3.3 主要电路和控制系统选择
收稿日期：2021-02-10 基金项目：液压支架电液控制系统本安电源温度特性研究 （19JK0270）。 作者简介：王 笑（1987-），男，陕西神木人，硕士研究 生，讲师，主要研究领域为电气控制技术； 余智勇（1981-），男，陕西延安人，大学本科，讲师，主 要研究方向为电工电子技术、电机控制； 代 创 伟（1978-）， 男， 陕 西 武 功 人， 硕 士 研 究 生， 讲 师， 主要研究方向为机械电子工程。
3 本安电源的整体设计
3.1 建筑工程框架总体设计结构总体设计 现在的直流电气设备大多数直接采用非线性的
直流电源变压方式，保障直流电源基本安全。对直流 变压器电源进行直流变压，经过变压之后，滤波整流 回路的波形与电路输出电压数值波形相近，经过直流 稳压回路，确保电压输入与输出的稳定性。采用超高 电压限流电能比保护直流电路，安全输入本安直流输 出电压 [6]。
这种开关电源多数器件采用了由光耦器件组成 的电压反馈控制通道。光耦元件表示一种实现线性电 子和其他电子之间快速转换的电子元件，可以分为非 线性和线性两种，具体如图 2 所示。
图 2 中，线性光耦将普通光耦的单发单收模式 稍加改变，增加用于反馈的光接收电路，电流传输特 性曲线接近直线，具备高性能小信号特点，能以线性 特性进行隔离控制。非线性光耦的电流传输特性曲线 是非线性的，这类光耦适合于开关信号的传输，不适 合传输模拟量。电流传输特性曲线如图 3 所示。
关键词：矿用；本安开关；电源设计；开关性能
Design and Performance Research of Intrinsically Safe Switching Power Supply for Mining
WANG Xiao, YU Zhiyong, DAI Chuangwei (Department of Mechanical and Electrical Engineering Shenmu Vocational and Technical College, Shenmu 719300, China)
2021 年 3 月 25 日第 38 卷第 6 期
王 笑，等：矿用本安开关电源的 设计与性能研究
Telecom Power Technology
Ｍａｒ． ２５， ２０２１， Ｖｏｌ．３８ Ｎｏ．６
电流传输比/（%）
（a）非线性光耦元件
（b）线性光耦元件 图 2 非线性以及线性光耦元件
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在普通电路的基础上进行改良，改良内容主要包括在 原本电路基础上添加电容器和二极管，可供选择的连 接方式为串联或并联。输入整流滤波器的电路如图 1 所示。
本安安全型直流高压开关电源和普通直流高压 开关电源的主要区别之处在于，在开关电路可能发生
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2021 年 3 月 25 日第 38 卷第 6 期
Telecom Power Technology
Ｍａｒ． ２５， ２０２１， Ｖｏｌ．３８ Ｎｏ．６
开关故障时，本安安全型直流高压开关电源将出现火 花，所需要释放出来的最大能量电流控制在一定安全 能量范围内。对于那些输出电路功率小，并且需要无 恒流电压稳定的电路，要求所需的直流稳压开关电源 具备高输出特点，可直接在一个输出输入端内部连接 限流稳压电阻，或者通过增大任一开关电源内部的限 流外阻容量，降低输出控制电路最低限能，保证电源 高输出。而对于那些输出电路功率较小，为保证所需 的各种本安型直流稳压开关电源满足恒流电压稳定的 高输出要求，不仅需要具备恒流稳压或者恒流限压及 约束和控制恒流短路功能，还要保证电流过载或者存 在限压短路，且可快速控制切断超负荷过流电压等。 依据安全保护措施，减少控制电路输出能量，保证开 关电源能够满足各种本安上安全和稳定的高性能输出 要求。过载整流减压保护控制电路的过载整流减压保 护方式包括 3 类，分别为三级限流型、截流型以及三 级减压过载电流型。这 3 类可以广泛应用于不同的过 流保护控制电路，但均需严格要求其过流保护电路动 作快且稳定，并必须具有良好的保护性能 [5]。
电路保护，避免出现输入相串的情况，展现隔离电路 保护的多元化。因此除了要求本安开关电源具备很宽 的输入和电压区间，还应该要求保护电源在正常工作 时具备较高的可靠度，并不断缩减体积，确保在故障 下可自行恢复。
2 本安型开关电源技术性能要求
开关工作在易燃易爆的高危险环境中，与一般 的地暖开关相比具有更高的特殊要求，其技术性能要 求如下。 2.1 输入和外部输出端之间必须注意做到内部电气 完全隔绝
Keywords: mine; intrinsically safe switch; power supply design; switch performance
0 引 言
电源属于电气设备的心脏，其本安性设计是整个 本安系统的基础。一旦电容出现火花或电感短路时产生 电火花，就会导致能量集中释放。因此，必须要选择 安全等级较高的开关电源，确保运行质量与效率。输 入式整流滤波电路是整个供电系统中存储能量较大的 组成部分，通过注重本安电源电路管理，提高供电系 统运行质量 。 [1-3]
摘要：根据相关调查，由矿用移动电源直接引起的安全故障约占 60%。因此需要对矿用电源进行安全监管，在 全体矿工正常使用电源设备情况下，保证其人身生命安全。因电气设备的电气故障，使得煤矿事故时有发生。本安 电源是矿用设备最关键的部分，这种电源在正常工作和故障状态下输出的最高电压和最大电流均具有本安性能，因 此有必要设计简单可靠的本安电源。
该框架结构设计不需要先进行变压器电容量降 低处理，基于整流式滤波电路获得一个更加接近直流 的电压，这一方式主要是由变换器电路内的分压电阻 和基准电压形成反馈实现。通过达到一个接近直流的 电压，基于 DC/DC 变换器控制输出电压。PWM 控制 器能够实现对电压与电流的双闭环控制，可提升电压 的自动调整速度及负载自动调整速度，此外借助整流 滤波电路可开展对第二级过滤电压的协同保护。 3.2 输入整流滤波器的电路
一般情况下，本安型直流开关电源的交流输入 端属于交流输入高压端，安全性能较好，而其直流输 出输入侧能量对应于非本安型直流高压输出能量。为 了有效防止其直流输入输出侧内的能量通过转移推进 至非本安端，影响本安型开关电源的安全性直流输出 性能，要求其电源输入和输出之间必须进行电气电阻 隔离。电气电阻隔离组成包括电气变压器电阻、电压 隔离、继电器、安全栅电阻隔离及各种光电耦合器 [4]。 2.2 输出必须正确设置好作为具有限流功能电流保 护输出电路
线性光耦电流传输特性曲线直线部分比较长， 电流传输比较为稳定，非线性光耦则很短。由于在电 源振荡器的波形上直接使用非线性的电光耦合器，会 直接导致电源振荡器的波形性能发生较大变化，因此 建议选用非线性的电光耦合器来直接控制电源反馈控 制通道。非线性电光耦合器和非线性电源稳压管能够 隔离直流开关电源的信号输出、电源输入以及两者之 间的电气信号。在此基础上建设起来的电源反馈控制 通道能够避免发生电源占空现象，可有效提升功率的 稳定性，应用优势显著 [8]。选择这类安全设计能够 顺应时代潮流，提升无线开关电源在线安全性能，凸 显其本安开关价值。为避免三级连接管上的开关电源 受到连接电路、电源短路、开关电流加速以及电压增 加等因素影响，产生开关电路被堵和开关电路烧毁等 异常现象，需要截止电路异常工作和电源短路线路中 异常的三极管 QA，电路经过整流器后继续整流，经 过后续的三相稳压器整流，直接构建稳定的三相交流 电。如此，便可确保其后续驱动电路控制系统发挥价 值，实现长期且有效的控制。
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VCE=5V Ta=25℃
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正向电流/mA
（a）线性光耦电流传输特性曲线
1. 4 VCE=5 V
1. 2 Ta=25 ℃
1. 0
正常电流 IF=10mA
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0. 4
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正向电流/mA
（b）非线性光耦电流传输特性曲线 图 3 电流传输特性曲线
1 本安开关电源的特点
由于煤矿井本安开关是在比较特殊的情况下作 业，因此其与家用开关存在较大的区别。首先，本安 电源开关需要借助合理的方式，限制放电分路火花产 生的放射能源，并限制放电电流，控制放电的电压。 其次，保护输入开关端，进行适当的电气隔离，本安 电路输入端要与非本安进行安全交流，一同开展高压
2021 年 3 月 25 日第 38 卷第 6 期
ｄｏｉ：10.19399/ki.tpt.2021.06.056
Telecom Power Technology
Ｍａｒ． ２５， ２０２１， Ｖｏｌ．３８ Ｎｏ．６
运营探讨
矿用本安开关电源的设计Байду номын сангаас性能研究
王 笑，余智勇，代创伟 （神木职业技术学院 机电工程系，陕西 神木 719300）
电流式 PWM 控制技术选择的是典型的闭环式控 制系统，可弥补电压控制缺陷，稳定性与输入电压调 节效果较好，限流功能比较明显，可瞬态响应特性， 同时能够实现效率的线性调节，且不会受到任何电感 的影响，信号输出较好。本文选择的是电流型 PWM 控制技术，以此实现对电路的系统性控制，控制系统 内只需要借助一个芯片与电器元件连接，就能够实现 双闭环的控制，共同控制电流与电压，以此精准地简 化电源设计，提供最佳解决方案，减少运行成本。 3.4 设计自动反馈控制电路
Abstract: According to the relevant investigation, about 60% of the safety faults are directly caused by the mine mobile power supply. It is necessary to carry out safety supervision on the mine power supply, so as to ensure the life safety of all miners under the normal use of power supply equipment. Due to the electrical failure of electrical equipment, coal mine accidents occur from time to time. Intrinsically safe power supply is the most critical part of mine equipment intrinsically safe. Under normal working and fault conditions, the highest output voltage and current of this power supply have intrinsically safe performance. Therefore, it is necessary to design a simple and reliable intrinsically safe power supply.
C2 0. 1µ F
R1 0. 5 kΩ
C3 0. 1µF
R2 1 kΩ
C1 0. 2µF
R3 1 kΩ
R1 0. 5kΩ
Rf 950 Ω
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图 1 输入整流滤波器的电路
在电容 C2 和滤波电容 C3 内串联电阻 R2 与 R3， 对比改进之后的电路与普通电路，增加了导通多角度， 改善电流的波形，提升功率因数。开关电阻的串联形 式限制了开关电容器所放电的能量，使得此类电路更 好地保护了开关电源的实际安全 [7]。 3.3 主要电路和控制系统选择
收稿日期：2021-02-10 基金项目：液压支架电液控制系统本安电源温度特性研究 （19JK0270）。 作者简介：王 笑（1987-），男，陕西神木人，硕士研究 生，讲师，主要研究领域为电气控制技术； 余智勇（1981-），男，陕西延安人，大学本科，讲师，主 要研究方向为电工电子技术、电机控制； 代 创 伟（1978-）， 男， 陕 西 武 功 人， 硕 士 研 究 生， 讲 师， 主要研究方向为机械电子工程。
3 本安电源的整体设计
3.1 建筑工程框架总体设计结构总体设计 现在的直流电气设备大多数直接采用非线性的
直流电源变压方式，保障直流电源基本安全。对直流 变压器电源进行直流变压，经过变压之后，滤波整流 回路的波形与电路输出电压数值波形相近，经过直流 稳压回路，确保电压输入与输出的稳定性。采用超高 电压限流电能比保护直流电路，安全输入本安直流输 出电压 [6]。
这种开关电源多数器件采用了由光耦器件组成 的电压反馈控制通道。光耦元件表示一种实现线性电 子和其他电子之间快速转换的电子元件，可以分为非 线性和线性两种，具体如图 2 所示。
图 2 中，线性光耦将普通光耦的单发单收模式 稍加改变，增加用于反馈的光接收电路，电流传输特 性曲线接近直线，具备高性能小信号特点，能以线性 特性进行隔离控制。非线性光耦的电流传输特性曲线 是非线性的，这类光耦适合于开关信号的传输，不适 合传输模拟量。电流传输特性曲线如图 3 所示。
关键词：矿用；本安开关；电源设计；开关性能
Design and Performance Research of Intrinsically Safe Switching Power Supply for Mining
WANG Xiao, YU Zhiyong, DAI Chuangwei (Department of Mechanical and Electrical Engineering Shenmu Vocational and Technical College, Shenmu 719300, China)
2021 年 3 月 25 日第 38 卷第 6 期
王 笑，等：矿用本安开关电源的 设计与性能研究
Telecom Power Technology
Ｍａｒ． ２５， ２０２１， Ｖｏｌ．３８ Ｎｏ．６
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（a）非线性光耦元件
（b）线性光耦元件 图 2 非线性以及线性光耦元件
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