Buck变换器的输出短路火花放电能量及输出本质安全判据-物理学报.PDFVIP

物理学报 Acta Phys. Sin. Vol. 62, No. 16 (2013) 168401 Buck 变换器的输出短路火花放电能量及 输出本质安全判据* † 刘树林 崔强 李勇 ( 西安科技大学电气与控制工程学院, 西安 710054 ) ( 2013年2月3 日收到; 2013年4月28 日收到修改稿) 为得出Buck 变换器的输出本质安全判据, 基于安全火花试验装置, 对其输出短路火花放电特性进行了试验研 究, 发现其放电过程可分为介质击穿、火花产生、火花维持和火花熄灭四个阶段. 基于得出的火花放电特性, 对其 输出短路火花放电能量进行了深入分析, 指出对于给定电感的Buck 变换器, 当负载电阻RL 小于给定电感对应的临 界电阻RLC 时, 火花放电能量是关于RL 的凹函数; 而在RL RLC 时, 是关于RL 的凸函数. 考虑到实际的参数取值 范围, 进一步指出: RL RLC 时的火花放电能量随RL 的增加而增大, 且在RL RLC 时达到最大值; 而在RL RLC 时, 则随着RL 的增加, 先增大后减小, 在增加到特征电阻RLDCM 时达到最大值. 得出了变换器在全动态范围内的最 危险工况: 变换器在输入电压最高及负载电阻等于RLDCM 时工作于DCM, 此时, 短路火花放电能量达到最大值. 基 于能量等效, 提出了可模拟变换器输出短路放电特性的等效简单电容电路及输出本质安全判据, 仿真和试验结果验 证了理论分析及所提出判据的正确性和可行性. 关键词: Buck 变换器, 本质安全, 短路火花放电能量, 输出本质安全判据 PACS: 84.30.Jc, 84.30.Bv, 52.80.Mg DOI: 10.7498/aps.62.168401 开关电源或开关变换器输出本安性能最有效的方 1 引言 法仍然是采用基于IEC 标准的安全火花试验装置 进行开闭爆炸性试验. 但爆炸性试验装置是一个复 6 在煤矿等危险环境推广应用本质安全 (简称 杂的试验系统 , 国内只有少数检测认证机构具备 12 此类装置, 大多数本安产品研发机构不具备试验的 “本安”) 型电气电子设备是必然趋势 , 本安型 开关电源作为其中的重要组成部分受到广泛关 环境和条件. 因此, 爆炸性试验方法制约了本安防 2−6 爆开关电源产品的设计、制造及推广应用, 加大了 注 . 根据国家强制性标准要求, 本质安全开关 电源必须通过防爆及本安认证, 才能应用于危险环 研发成本; 同时, 开闭爆炸性试验可能并非在所试 7 验产品的最危险工况下进行, 因而其评价结果的可 境 . 本安防爆性能的评价方法主要包括最小点燃 8 7 信度也还有待提高. 因此, 迫切需要研究开关电源 能量 、临界点燃曲线 、基于安全火花试验装 7 9 或变换器的最危险工况, 并得出其非爆炸性输出本 置的开闭爆炸性试验 、能量或功率判别式 以 及非爆炸性本安判据1011 等. 最小点燃能量通常 质安全判据, 以便指导本安开关电源产品的开发与 比实际需要的点燃能量小得多, 因而不适用于用