专利名称：一种提高本安开关电源性能的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在爆炸性危险环境的本安开关电源，特别是一种提高本安开关电源性能的方法及装置。
背景技术：
目前国际上普遍采用的防爆类型有隔爆型、增安型、本质安全型等等。比较各种防爆形式可知，本质安全型电气设备从电路的电气参数设计保证了防爆的要求，省去了厚重的防爆外壳，有着安全程度高，体积小，重量轻，携带维护方便和造价较低等优点，因此本质型安全电路被广泛应用。大功率电气设备的广泛使用，增加了对大功率本安开关电源的需求。又由于本质安全的特殊要求，当本安电源采取并联方式提高本安电源的功率时，会由于电流不均衡造成本安电源失效的问题，所以无法通过多个本安电源通过并联的方式来实现功率的提高。 此外，当本安电源在满载运行情况下出现短路故障时电流变化率较大，本安开关电源的EMI 效果较差。目前为实现输出本质安全而提出的方法有(1)采用分流元件，如电感的分流元件，分流电容等，但是此方法只能用于本安电路中的元器件；(2)采用保护性组件，如进行过流，过压保护，但是目前多采用恒流型本安电源，发热严重。(3 )对电气设备中元件参数进行限制，但是必须对所有的元器件故障状态下所存储的能量作出详细计算，设计过程复杂且需模型准确。虽然采用了各种方法来提高本安开关电源的功率，但是目前本安开关电源的功率停留在IOW左右的级别，仍然无法满足工业现场的功率要求。又因为保护方法中应用了电力电子器件，导致了 EMI效果较差。
发明内容
本发明的目的是要提供一种提高本安开关电源性能的方法及装置，解决目前本安开关电源功率较小，本安开关电源的EMI效果较差的问题。本发明的目的是这样实现的采用电感检测电流变化率的方法，使主电路截止，同时通过电感来延迟短路时电流变化的时间，使得在电压降为零后电流才开始上升，从而减少故障时的放电能量，同时电感控制短路时电流变化率，降低了 EMI的影响；采用由运算放大器及电阻构成的电流微分测量器，对输入信号进行检测并放大，运算放大器的输出端通过逻辑门与驱动电路的输入端连接，驱动电路产生的驱动信号控制第一开关和第二开关的断开与闭合；第一开关与限流电感串联连接，限流电感延迟电流变化的时间，使电压降为零时电流才开始上升；电流微分测量器检测电流变化率，电感的两端接在电流微分测量器的输入端，当发生短路时，即在电容性点燃情况下，电感两端产生感应电动势，电流微分测量器检测到该信号并放大，放大器输出信号使得驱动电路驱动第二开关闭合，第一开关断开； 当电路断开时，即在电感性点燃情况下，限流电感与二极管形成内部环路，吸收限流电感上的尖峰电压，阻止限流电感上能量的释放。
本发明的装置包括电流微分测量器、驱动电路、第一开关、第二开关、电感、限流电感和二极管，电流微分测量器与驱动电路的输入端连接，驱动电路的输出端同时与第一开关和第二开关的控制端连接，第一开关连接在电流微分测量器和限流电感之间，与限流电感为串联连接，第二开关的一端连接在第一开关和限流电感之间，第二开关的另一端通过电阻R接地，限流电感与二极管并联连接，并联连接的限流电感与二极管通过负载电阻接地；
电源的负极接地，正极连接电感，然后依次连接第一开关，限流电感，负载电阻、最后接地，当负载发生电容性点燃的情况下，第二开关闭合将限流电感接地；所述的电流微分测量器，运放Ul的一个输入端接在电感的正端，另一输入端分别通过电阻TP1接在运放U2的一个输入端，通过电阻弋及电阻怂接在运放U3的一个输入端；运放U2的一个输入端接在电感的负端，另一输入端通过电阻A及怂接在运放U3的一个输入端，此输入端通过电阻冬接地，运放U3的另一输入端通过电阻/P4接在运放U3输出端上；运放U3输出端与第一逻辑门 U4及第二逻辑门U5连接，再分别接到二个驱动电路的输入端，二个驱动电路的输出端分别与第一开关和第二开关的控制端相连接。有益效果，由于采用了上述方案电流微分测量器的运算放大器对信号进行检测并放大，动算放大器的输出端通过逻辑门接在二个开关的驱动电路输入端，驱动电路产生的信号驱动二个开关的断开与闭合；第一开关串接限流电感，利用限流电感延迟电流变化的时间，使电压降为零时电流才开始上升，降低了故障时的放电能量，提高输出功率；电流微分测量器检测电流变化率，电感L1的两端接到电流微分测量器的输入端，当发生短路时， 即在电容性点燃情况下，电流微分测量器di/di变化很大，电感两端产生感应电动势，电流微分测量器检测到该信号并放大，运算放大器输出信号使得驱动电路驱动第二开关闭合， 第一开关断开；第一开关断开，切断电源向短路故障点的能量传输；第二开关闭合接入电阻R在电源内部消耗一部分电感L的储能，减少对故障点的能量释放，软开关方法进一步减少了电容性点燃时能量释放，从而提高了电源输出功率，使本安开关电源的应用范围更加广泛；当电路断开时，即在电感性点燃情况下，电感L与二极管D形成内部环路，将电感上的尖峰电压吸收，阻止电感上能量的释放；本发明的方法，可以提高电容性点燃情况下的功率，而不影响原来电感性点燃的功率。解决目前本安开关电源功率较小，本安开关电源的 EMI效果较差的问题，达到了本发明的目的。优点该方法能够使检测速度大大提高，同时使用电感来延迟电流变化，从而减少故障时的放电能量，有效地避免爆炸的发生，提高了本安开关电源的功率，增强了本安系统安全性和可靠性；又因为电感的应用使得电流变化率下降，从而降低了 EMI干扰。
图1是本发明的系统框图。图2是本发明的电路结构图。图3是火花放电能量曲线图。图中1、电流微分测量器；2、驱动电路；3、限流电感；RL、负载电阻；Q1、第一开关； Q2、第二开关；D、二极管；U4、非门；U5、与门；Li、电感。
具体实施例方式实施例1 采用电感检测电流变化率的方法，使主电路截止，同时通过电感来延迟短路时电流变化的时间，使得在电压降为零后电流才开始上升，从而减少故障时的放电能量，同时电感控制短路时电流变化率，降低了 EMI的影响；
本发明的具体方法为电流微分测量器1由运算放大器及电阻构成，对输入信号进行检测并放大，运算放大器的输出端通过逻辑门与驱动电路的输入端连接，驱动电路产生的驱动信号控制第一开关Ql和第二开关Q2的断开与闭合；第一开关Ql与限流电感3串联连接，限流电感延迟电流变化的时间，使电压降为零时电流才开始上升；电流微分测量器1检测电流变化率，电感L1的两端接在电流微分测量器1的输入端，当发生短路时，即在电容性点燃情况下，电感L1两端产生感应电动势，电流微分测量器检测到该信号并放大，放大器输出信号使得驱动电路驱动第二开关Q2闭合，第一开关Ql断开；当电路断开时，即在电感性点燃情况下，限流电感3与二极管D形成内部环路，吸收限流电感3上的尖峰电压，阻止限流电感3上能量的释放。该装置包括电流微分测量器1、驱动电路2、第一开关Q1、第二开关Q2、电感L1、限流电感3和二极管D，电流微分测量器1与驱动电路2的输入端连接，驱动电路2的输出端同时与第一开关Ql和第二开关Q2的控制端连接，第一开关Ql连接在电流微分测量器1和限流电感3之间，与限流电感3为串联连接，第二开关Q2的一端连接在第一开关Ql和限流电感之间，第二开关Q2的另一端通过电阻R接地，限流电感3与二极管D并联连接，并联连接的限流电感L与二极管D通过负载电阻RL接地。电源的负极接地，正极连接电感Z1，然后依次连接第一开关Ql，限流电感3，负载电阻礼、最后接地，当负载发生电容性点燃的情况下，第二开关Q2闭合将限流电感3接地； 所述的电流微分测量器，运放Ul的一个输入端接在电感、的正端，另一输入端分别通过电阻ZP1接在运放U2的一个输入端，通过电阻弋及电阻怂接在运放U3的一个输入端；运放U2 的一个输入端接在电感L工的负端，另一输入端通过电阻&及怂接在运放U3的一个输入端，此输入端通过电阻冬接地，运放U3的另一输入端通过电阻/P4接在其输出端上；该输出端与第一逻辑门U4及第二逻辑门U5连接，再分别接到二个驱动电路的输入端，二个驱动电路的输出端与分别与第一开关Ql和第二开关Q2的控制端相连接，控制二个开关的开通与断开。在图3中，曲线(1)是电压变化曲线，曲线(2)是未加电感时电流变化曲线，曲线 (3)是加入电感时电流变化曲线。单斜线构成的区域与交叉线构成的区域之和是未加电感时的放电量，交叉线构成的区域是加入电感时的放电量，图中竖线表示发生短路故障的时刻。
权利要求
1.一种提高本安开关电源性能的方法，其特征是采用电感检测电流变化率的方法， 使主电路截止，同时通过电感来延迟短路时电流变化的时间，使得在电压降为零后电流才开始上升，从而减少故障时的放电能量，同时电感控制短路时电流变化率，降低了 EMI的影响；采用由运算放大器及电阻构成的电流微分测量器，对输入信号进行检测并放大，运算放大器的输出端通过逻辑门与驱动电路的输入端连接，驱动电路产生的驱动信号控制第一开关和第二开关的断开与闭合；第一开关与限流电感串联连接，限流电感延迟电流变化的时间，使电压降为零时电流才开始上升；电流微分测量器检测电流变化率，电感的两端接在电流微分测量器的输入端，当发生短路时，即在电容性点燃情况下，电感两端产生感应电动势，电流微分测量器检测到该信号并放大，放大器输出信号使得驱动电路驱动第二开关闭合，第一开关断开；当电路断开时，即在电感性点燃情况下，限流电感与二极管形成内部环路，吸收限流电感上的尖峰电压，阻止限流电感上能量的释放。
2.一种实现权利要求1所述方法的提高本安开关电源性能的装置，其特征是该装置包括电流微分测量器、驱动电路、第一开关、第二开关、电感、限流电感和二极管，电流微分测量器与驱动电路的输入端连接，驱动电路的输出端同时与第一开关和第二开关的控制端连接，第一开关连接在电流微分测量器和限流电感之间，与限流电感为串联连接，第二开关的一端连接在第一开关和限流电感之间，第二开关的另一端通过电阻R接地，限流电感与二极管并联连接，并联连接的限流电感与二极管通过负载电阻接地；电源的负极接地，正极连接电感，然后依次连接第一开关，限流电感，负载电阻、最后接地，当负载发生电容性点燃的情况下，第二开关闭合将限流电感接地；所述的电流微分测量器，运放Ul的一个输入端接在电感的正端，另一输入端分别通过电阻TP1接在运放U2的一个输入端，通过电阻弋及电阻怂接在运放U3的一个输入端；运放U2的一个输入端接在电感的负端，另一输入端通过电阻A及怂接在运放U3的一个输入端，此输入端通过电阻冬接地，运放U3的另一输入端通过电阻/P4接在运放U3输出端上；运放U3输出端与第一逻辑门 U4及第二逻辑门U5连接，再分别接到二个驱动电路的输入端，二个驱动电路的输出端分别与第一开关和第二开关的控制端相连接。
全文摘要
一种提高本安开关电源性能的方法及装置，属于爆炸性危险环境的本安开关电源。采用电感检测电流变化率的方法，使主电路截止，同时通过电感来延迟短路时电流变化的时间，使得在电压降为零后电流才开始上升，从而减少故障时的放电能量，同时电感控制短路时电流变化率，降低了EMI的影响；该装置的电流微分测量器与驱动电路的输入端连接，驱动电路的输出端与开关的控制端连接，第一开关与限流电感为串联连接，第二开关通过负载电阻接地，限流电感与二极管并联连接，并联连接的限流电感与二极管通过电阻RL接地。优点该方法及装置提高了本安开关电源的功率，增强了本安系统安全性和可靠性；电流变化率下降，降低了EMI干扰。
文档编号H02M1/44GK102237785SQ20111019685
公开日2011年11月9日 申请日期2011年7月14日 优先权日2011年7月14日
发明者于月森, 伍小杰, 冯海兵, 史雯, 左东升, 左兰, 张望, 戚文艳, 李世光, 谢冬莹 申请人:中国矿业大学, 徐州宝迪电气有限公司