矿用本质安全开关电源的研究

矿用本质安全开关电源的研究

摘要：随着电气设备被广泛的应用到煤矿生产中，因电气设备的电气故障，使

得煤矿事故时有发生。其中由于电源引起的设备故障占60%，所以保护电源的安全，即可以保证矿用设备的安全，保证矿工的生命安全。本质安全电源是矿用设

备本质安全最关键的部分，这种电源在正常工作和故障状态下，其输出的最高电压、最大电流均具有本安性能。因此，设计简单可靠的本安电源是非常有必要的。

关键词：本质；安全型；开关电源

煤炭、石油、天然气等危险性环境中的用电设备越来越多被设计成本质安全型，电源是电气设备的“心脏”，因此，它的本质安全性设计是整个本安系统的基础。电容短路、电感断路时能产生电火花，集中释放能量，因此，在设计本质安

全型开关电源时应控制其故障时产生的电火花能量不点燃周围可燃性气体混合物。输入整流滤波电路在整个电源系统中是存储能量较大的一部分，也是至关重要的

一部分，因此对从事本质安全电路设计及相关人员具有一定的指导意义。

一、本质安全开关电源的特点

由于本质安全开关电源在煤矿井下特殊的工作环境，决定了本质安全开关电

源与通用的开关电源相比，存在很大的差别。首先，作为本质安全型开关电源，

必须要通过合理的方式限制电路放电火花的能量，也就是说，限制电路的放电电流、放电电压并控制放电时间；其次是输入与输出端必须电气隔离，本质安全电

路输入端是非本质安全的交流高压电路，以防止非本质安全输入传到本质安全输

出端，并且保护和隔离电路要多重化，因此要求本质安全开关电源有很宽的输入

电压范围，还要求电源工作的可靠性高、体积小，并具有故障状态下可以自动恢

复功能。

二、本质安全型开关电源技术性能要求

工作在易燃易爆这些危险性环境下的本质安全开关电源与普通应用型开关电

源相比，具有许多特殊要求，其主要技术性能要求如下：

1、输入与输出端必须进行电气隔离。本质安全型开关电源的输入端为非本质安全性的交流高压端，而输出端则为本质安全型直流输出，为防止输入侧的能量

窜入到本质安全输出而影响其本安性能，故要求输入、输出必须进行电气隔离。

电气隔离的方法有变压器隔离、可靠电阻隔离、继电器、安全栅隔离和光电藕合

器等习。如煤矿井下大部分本质安全型电气设备由低压动力电网供电，这些电气

设备禁止将其本安电路只经过电容器或电阻直接与电网相连，必须经过隔离变压器，变压器必须符合规定的相关标准要求。

2、输出必须设置限能保护电路。本质安全型直流开关电源与普通直流开关电源不同，它要求必须将电路故障时火花释放的能量限制在一定安全范围内，也就

是要限制电路出现故障时的放电电流、放电电压和放电时间。对于输出功率小并

且没有稳压要求的直流电源，可直接在输出端接一个限流电阻或者增大电源的内

阻来达到电路限能的目的而对于输出功率较大并要求电压稳定输出的本质安全型

直流开关电源，不仅要同时具有稳压或限压、限流或恒流功能，还应有过流或短

路和过压快速切断等保护措施来限制电路中的能量，从而使电源达到本质安全性

能要求。过流保护电路的保护方式有限流型、截流型和减流型，这三种限能保护

方式各有各的特点，可适用于不同的电路中，但均要求其保护动作快且性能可靠。

三、本质安全电源的整体设计

1、总体结构设计。现在电气设备大多采用线性电源来实现电源的本质安全，通过变压器变压，变压后通过整流滤波电路整流滤波后得到接近直流的电压；再

经过稳压电路，使得直流电路在波动、负载变化等因素影响下保证输出电压稳定；最后经过限能保护电路输出本安直流电压。如图所示。

此设计不用先经过变压器降压处理，直接通过整流滤波电路得到接近直流的

电压；再通过DC/DC 变换器控制输出电压，可控制输出电压是由变换器电路中的

分压电阻与基准电压形成反馈来实现的；PWM 控制器主要实现电压、电流的双

闭环控制，提高电压的调整率、瞬态响应特性以及负载的调整率；然后再通过整

流滤波电路、第二级过流过压保护电路，最后输出本质安全直流电压。

2、输入整流滤波电路设计。一般整流滤波电路将一只大容量的电容并联在整流电路的输出端和负载之间。通过电路状态改变时电容两端的电压不能跃变的特性，得到较为平滑的直流电压。但这种电路功率因数低，且对本安电源的设计没

有明显的优势。设计的输入整流滤波电路是在一般整流滤波电路的基础上进行改进，主要有两个方面进行了改进：在原有电路基础上加上电容和二极管的串并联

形式；在电容C2、C3 滤波电路中串接电阻R2、R3。改进后的电路相比一般整流

滤波电路，主要有导通角增大，电流波形得到改善，电路功率因数得到提高的优点。同时由于在电路中串接了电阻R2、R3，限制了电容放电能量，使得该电路更能保证开关电源的本质安全性。

3、主电路控制系统的选择。电压型PWM 和电流型PWM 控制技术是开关电

源常用的两种控制方式。电压型PWM 控制技术的主电路电流不参与对输出的控制，是典型的单闭环控制系统。由于电路中电感的影响，电压的变化提前于电流

的变化，导致响应速度慢，稳定性差。电流型PWM 控制技术弥补了电压型PWM 控制技术的不足。它采用双环控制，在单闭环控制系统上增加了电流反馈电路，

从而使峰值电流受电流给定信号控制，限制瞬时峰值电流。输出电压稳定性高、

电压调整率好；具有限流的功能；良好的瞬态响应特性及线性调整率；没有电感

的影响，具有最佳的信号输出。因此采用电流型PWM 控制技术作为主电路控制

系统，其控制系统只要在控制芯片引脚接上一些电气元件就能实现电流、电压的

双闭环控制。这样不但可以简化电源设计方案而且可以降低生产成本。

4、反馈电路的设计。开关电源大多采用光耦构成反馈通道。光耦即实现电—光—电转换的器件，光耦分为线性和非线性两种。因为使用非线性光耦会使振荡

波形变坏，所以选用线性光耦来实现反馈通道，线性光耦合器和稳压管实现了开

关电源的输出和输入端的电气隔离，此反馈电路具有容易改变占空比以及高稳压

性的优点。使得设计跟有利于开关电源的本质安全性。为了防止开关电源因电路

短路或电流增大导致电路烧毁的情况发生，当电路中由于短路或不正常工作产生

过流时，三极管Qa 截止，电流通过Ra1、Da1、Da2 整流电路整流，再通过后续

的稳压器得到稳定的直流电。从而保证后续电路保持正常工作。本质安全型开关

电源不仅要设计过流保护电路，还需要设计过压保护电路。因此，在过流保护电

路后续电路加上过压保护，过压保护电路在电路正常工作时，Dz、SCR 都是截止的，电路输出的直流电压直接提供给负载。如果输出的电压在18V 到18.7V 的范

围时，Dz 处于导通状态，电容将处于充电状态；因为没有达到门极触发电流的条件，所以SCR 仍处于截止状态。若输出电压大于18.7V 时，Dz 处于导通状态；达

到门极触发电流的条件，SCR 导通，电路将停止输出电压，达到保护整个开关电

源电路的作用。