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齊納安全柵瞬態(tài)效應(yīng)的測(cè)試系統(tǒng)

文檔作者：高在敵1 徐建平2 文檔來(lái)源：上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院1 上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究院2		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時(shí)間： 2021年07月12日
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齊納安全柵瞬態(tài)效應(yīng)的測(cè)試系統(tǒng)高杰敏，等
齊納安全柵瞬態(tài)效應(yīng)的測(cè)試系統(tǒng)
Test System fOr Transient Effects of Zener Safety Barrier
高在敵1 徐建平2
(上海理工大學(xué)光電信息與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院1，上海200093；上海工業(yè)自動(dòng)化儀表研究院2，上海200233)
摘要：針對(duì)傳統(tǒng)安全柵測(cè)試評(píng)估手段的不完善，為滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中二極管安全柵的型式試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了一種齊納安全柵瞬態(tài)效應(yīng)的
測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)以齊納二極管為研究對(duì)象，從本質(zhì)安全的角度，分析了運(yùn)行在最不利條件下的齊納二極管預(yù)先擊穿時(shí)間。通過(guò)試
驗(yàn)確定脈沖電流的寬度與幅值；以絕緣柵雙極型晶體管(IGBT)為核心元件，并采用大電容儲(chǔ)能網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計(jì)了脈動(dòng)電流源。實(shí)踐表明，
該測(cè)試技術(shù)有效地驗(yàn)證了安全柵承受瞬態(tài)效應(yīng)，為確保防爆安全提供依據(jù)。
關(guān)鍵詞：安全柵齊納二極管瞬態(tài)效應(yīng)本質(zhì)安全防爆安全預(yù)先擊穿時(shí)間脈沖電流脈寬IcBT
中圖分類(lèi)號(hào)：Ⅱr7；7IP27 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10．16086／j．cIlki．issn 1000—0380．201609019
Ab!踮nct：Ajnling at tIle shortages of tmdi60nal test¨d evaluation metllod f☆船fety b刪ers，and for acIIieVing the type test of diode明fety
barrier in acco幽ce wi山山e Ilatiorlal stalmaId。a noveltest system for山e昀Ilsient responses of Zener s小ty姍er is desi弘ed．For intriIlsic
safety．山e system t8kes the Z毛ner djode as tIIe research obiect；the pre—breakdown time of 2奄ner diode under山e worst coIlditiorIs is analyzed．
Thmugh experiments。tIle width aJld舢plitIlde of the pulse cunIent are detenIlined。irIsIllated—gate bipolar咖sistor(IGBT)is selected to be tIle
core component。aJld tlle pulse current source is designed by acIoPting l習(xí)Lrge capacitance energy storage network．The practice
shows that山e test
technoIogy雒bctiveIy veri矗es tIle s疵ty barriers can bear的Jlsient e＆cts-and pIDvides b踮is of e璐llring expiosion—pr00f safety．
Keywor凼：s也ty barrier zener chode TraIlsient e&amp;amp;ct In麗nsic豳ty Explosive—pDoof幽ty Pre—breakdown time Pulse c唧nt
Pulse wid山Insulated—gate bipolar缸ansislor(IGBT)
0 引言
近年來(lái)，隨著大型現(xiàn)代化鋼鐵、煤炭、石油化工企
業(yè)的高速發(fā)展，以及自動(dòng)化程度的不斷提高，在涉及爆
炸性物質(zhì)的生產(chǎn)、運(yùn)輸、加工處理以及儲(chǔ)存等過(guò)程中，
都存在爆炸危險(xiǎn)性。在本安防爆技術(shù)中，安全柵作為
一種典型、常見(jiàn)的關(guān)聯(lián)設(shè)備，能夠隔離危險(xiǎn)區(qū)域與安全
區(qū)域，有效地保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備及人員的安全。目前，國(guó)內(nèi)
的安全柵發(fā)展速度較快，模擬信號(hào)用安全柵、開(kāi)關(guān)／數(shù)
字信號(hào)用安全柵、帶通信功能(HART)的安全柵、適合
現(xiàn)場(chǎng)總線的安全柵都有長(zhǎng)足的發(fā)展。若考慮結(jié)構(gòu)形
式，安全柵可以廣義地分為齊納安全柵和隔離安全
柵。齊納安全柵又稱(chēng)二極管安全柵，它的原理簡(jiǎn)單、
價(jià)格低廉，但是它對(duì)電源影響較大，同時(shí)也容易因電
源的波動(dòng)而造成自身的損壞。因此，二極管安全柵的
安全性能有待提高。本文針對(duì)二極管安全柵的型式試
驗(yàn)，即齊納安全柵的瞬態(tài)效應(yīng)，進(jìn)行測(cè)試系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與
分析。
修改稿收到日期：2016一02—28。
第一作者高杰教(1992一)，男，現(xiàn)為上海理工大學(xué)控制工程專(zhuān)業(yè)在
讀碩士研究生；主要從事本安元器件測(cè)量技術(shù)的研究。
《自動(dòng)化儀表》第37卷第9期2016年9月
1二極管安全柵
1．1二極管安全柵結(jié)構(gòu)
二極管安全柵的典型電路如圖1所示。它由快速
熔斷器(Fu)、限壓二極管(齊納二極管VD。、VD：)和
限流元件(R。、R：)構(gòu)成。
圖1二極管安全柵典型電路
F唔．1 Typical circujt of diode safety b舭Tier
安全柵本安端子與非本安端子問(wèn)的距離應(yīng)不小于
50 mm。二極管安全柵應(yīng)設(shè)有兩個(gè)接地端子，其截面
積不小于4 mm2。非接地的安全柵端子應(yīng)有防護(hù)罩。
二極管安全柵電路元器件應(yīng)依次排列，并用環(huán)氧樹(shù)脂
澆封在外殼中¨3。
二極管安全柵的安全保護(hù)作用，實(shí)際上是運(yùn)用齊
75
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
齊納安全柵瞬態(tài)效應(yīng)的測(cè)試系統(tǒng)高杰敏，等
納二極管的分流作用以及電阻的限流作用，對(duì)輸入的
能量進(jìn)行限制，以確保本安回路的安全性。
1．2二極管安全柵型式試驗(yàn)內(nèi)容
GB 3836．4—2010中的10．8對(duì)型式試驗(yàn)有相應(yīng)規(guī)定。
制造商數(shù)據(jù)表明，當(dāng)該電流下預(yù)先擊穿時(shí)間大于
50¨s時(shí)，該電流脈沖寬度將變成實(shí)際預(yù)先擊穿時(shí)間。
當(dāng)實(shí)際預(yù)先擊穿時(shí)間不可能從制造商獲得現(xiàn)成數(shù)據(jù)
時(shí)，10只熔斷器應(yīng)承受上述預(yù)期電流，并測(cè)定預(yù)先擊
穿時(shí)間。該值應(yīng)大于50¨s口1。
2測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
本文設(shè)計(jì)的測(cè)試系統(tǒng)如圖2所示。
●一●●●●●●●●???-?●-●●●●●●???●●●●●●●●●●??-●●●●●●●●●●●●●●-．．’‘
脈動(dòng)電流源
’
●-●●●●●●●●●●●●‘●●-●●’，
／ 控制部分＼
圖2 系統(tǒng)示意圖
Fig．2 Schematic diagram of the system
市電輸入經(jīng)過(guò)隔離變壓和整流濾波后，得到平滑
的直流高電壓，然后給儲(chǔ)能電路充電。與此同時(shí)，脈沖
發(fā)生電路產(chǎn)生滿足試驗(yàn)要求的脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)脈沖驅(qū)
動(dòng)電路放大后使其能夠驅(qū)動(dòng)高速開(kāi)關(guān)電路。儲(chǔ)能電路
在達(dá)到臨界電壓后，便可在高速開(kāi)關(guān)電路開(kāi)通的瞬間
產(chǎn)生脈沖電流，對(duì)負(fù)載進(jìn)行試驗(yàn)。
3工作原理
3．1 充電電路
在防爆認(rèn)證體系中，二極管安全柵設(shè)計(jì)的輸入通
常為24 V，但是在電路考核時(shí)是按輸入電壓的最不利
條件考慮的。在型式試驗(yàn)要求中，輸入電壓應(yīng)為峰值
電壓u。。GB 3836．1—2010的中3．15．1l規(guī)定，最高
電壓(交流有效值或直流值)璣是可施加到關(guān)聯(lián)設(shè)備
的非限能連接裝置上，且不會(huì)使防爆型式失效的最高
電壓∞1。不同的連接裝置，其u。也不相同。所以，當(dāng)
輸入市電220 V電壓后，經(jīng)過(guò)變壓器產(chǎn)生多個(gè)工作電
壓，如110 V、180 V、250 V等。通過(guò)旋轉(zhuǎn)開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)選
擇相應(yīng)的電壓檔；之后加到全橋整流電路上輸出直流
電壓，通過(guò)充電電阻給儲(chǔ)能電路充電。充電電路還包
括檢測(cè)電路和保護(hù)電路。檢測(cè)電路如圖3所示。
圖3檢測(cè)電路
Fig．3 Detection circuit
檢測(cè)電路主要由開(kāi)關(guān)S。、光耦O，、三極管Q。、繼
電器G以及穩(wěn)壓管支路等組成。根據(jù)充電電路中不
同的工作電壓，同步選擇不同的穩(wěn)壓管支路導(dǎo)通，確
保實(shí)現(xiàn)負(fù)載所需的電壓檔。當(dāng)儲(chǔ)能電路上的電壓達(dá)
到臨界電壓后，檢測(cè)電路中的穩(wěn)壓管導(dǎo)通，通過(guò)光耦
O?？刂迫龢O管Q．導(dǎo)通，使得繼電器G工作切斷充電
電路，充電過(guò)程結(jié)束。當(dāng)儲(chǔ)能電路充電后長(zhǎng)時(shí)間不
用時(shí)，可通過(guò)保護(hù)電路手動(dòng)將儲(chǔ)能電路上的能量釋
放，避免儲(chǔ)能電路因長(zhǎng)時(shí)間處于高壓狀態(tài)而導(dǎo)致元
器件損壞。
3．2儲(chǔ)能電路
為了在一定電壓下獲得盡可能大的電流，本設(shè)計(jì)
通過(guò)若干電容器并聯(lián)放電。儲(chǔ)能電路就是RC充放電
電路，由充電限流電阻、放電限流電阻和儲(chǔ)能電容
組成。
對(duì)于任意時(shí)刻￡，電容電壓u。為：
U。=U。(1一e1“。) (1)
由式(1)可得，當(dāng)￡=3R。c，時(shí)，U近似為u。。相
似地，放電時(shí)間t=3Rc，。值得注意的是，儲(chǔ)能電路
的放電時(shí)間應(yīng)大于試驗(yàn)需要的脈沖電流持續(xù)時(shí)間，這
樣才能實(shí)現(xiàn)5次連續(xù)脈沖的輸出。
76 PRoCESS AUToMAJI．ION礬STmJMENTAlloN VoL 37 No．9 september 2016
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
齊納安全柵瞬態(tài)效應(yīng)的測(cè)試系統(tǒng)高杰敏，等
3．3高速開(kāi)關(guān)電路
本設(shè)計(jì)中，高速開(kāi)關(guān)電路開(kāi)通時(shí)問(wèn)決定了所產(chǎn)生
的脈沖電流脈寬。而高速開(kāi)關(guān)電路選擇絕緣柵雙極型
晶體管(insulated—gate bipolar tL蚰sistor，IGBT)作為核
心元件。IGBT綜合了雙極型三極管B¨和絕緣柵型
場(chǎng)效應(yīng)管MOS兩種器件的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動(dòng)功率小而飽和壓
降低，且開(kāi)關(guān)速度高、開(kāi)關(guān)損耗小，能夠滿足高速、大功
率的輸出要求。整個(gè)系統(tǒng)的輸出電路如圖4所示。
圖4中，齊納二極管即為測(cè)試的負(fù)載。
圖4輸出電路
Fig．4 Output circllit
3．4脈沖發(fā)生電路
脈沖發(fā)生電路采用555電路構(gòu)建的多諧振蕩器來(lái)
產(chǎn)生矩形脈沖方波。由R。、R：、R，構(gòu)成外圍電路，通
過(guò)調(diào)節(jié)電阻R。、R：和電容c。的大小，可以調(diào)節(jié)產(chǎn)生矩
形脈沖的寬度和頻率。
通過(guò)試驗(yàn)可知，由555電路產(chǎn)生的脈沖方波并不
能滿足試驗(yàn)的要求。因此，在脈沖產(chǎn)生電路后需要進(jìn)
行脈沖整形。脈沖整形利用74LSl23電路組成的單穩(wěn)
態(tài)電路，對(duì)矩形脈沖方波進(jìn)行脈寬成型。通過(guò)定時(shí)電
阻R。和外接電容C。來(lái)控制脈沖的寬度[4j。
3．5報(bào)警電路
整個(gè)系統(tǒng)還包含了報(bào)警電路(如圖4中的蜂鳴
器)。當(dāng)輸出端接線柱接人負(fù)載時(shí)，若二極管D。承受
住脈沖試驗(yàn)而沒(méi)有損壞，蜂鳴器不工作、不報(bào)警。此
時(shí)，當(dāng)IGBT導(dǎo)通時(shí)，三極管Q。導(dǎo)通，使得三極管Q，基
極與發(fā)射極間電壓為0，Q，處于截止區(qū)，蜂鳴器不工
作。若二極管D。因承受不住脈沖試驗(yàn)而損壞，蜂鳴
器則會(huì)高頻報(bào)警。因?yàn)橐话闱闆r下，二極管D。在過(guò)
《自動(dòng)化儀表》第37卷第9期2016年9月
流時(shí)會(huì)燒壞PN結(jié)形成開(kāi)路，在過(guò)壓時(shí)擊穿PN結(jié)形成
短路。而在過(guò)壓擊穿形成短路后，二極管D。上的電
流大于極限值，會(huì)燒壞PN結(jié)形成開(kāi)路。所以此時(shí)三
極管Q，導(dǎo)通，蜂鳴器高頻報(bào)警以提示輸出端接線柱帶
高壓電，必須等輸出開(kāi)關(guān)切斷，無(wú)報(bào)警信號(hào)方可對(duì)輸出
端進(jìn)行操作。
此外，當(dāng)輸出端接線柱未接入負(fù)載時(shí)，若由于誤操
作，閉合了輸出開(kāi)關(guān)S，，則此時(shí)和二極管D。損壞時(shí)的
情況相同，輸出端接線柱帶高壓電，蜂鳴器高頻報(bào)警。
此時(shí)不可接入負(fù)載，以確保人身及設(shè)備安全。
4算例分析
4．1參數(shù)設(shè)計(jì)
4．1．1脈沖發(fā)生器
型式試驗(yàn)要求的振蕩周期為20瞄、充電時(shí)間為
15 ms、放電時(shí)間為5姍，則振蕩周期r、電容充電時(shí)間
L、電容放電時(shí)間疋分別為：
r=0．69(Rl+2R2)Cl=20 ms (2)
■=0．69(尺。+R：)C。(3)
咒=0．69R2C。(4)
取C。為4．7一，則R：為1．5 kQ、R。為3 kQ。
4．1．2脈寬成型
型式試驗(yàn)要求的最小電流脈寬為50斗s。而脈寬
t。由電阻R。和電容C。來(lái)控制、5。。根據(jù)型式試驗(yàn)要
求，當(dāng)C。>1 000 pf時(shí)，脈寬為：
￡。=4．5R。C。(5)
取C。為10心，則R。約為10 kQ。調(diào)節(jié)電阻R。，
可調(diào)節(jié)脈寬大小。
4．1．3 IGBT模塊選型
根據(jù)承受電壓和通態(tài)電流這兩個(gè)參數(shù)，來(lái)選擇
IGBT模塊。
①I(mǎi)GBT模塊額定電壓。
IGBT集電極與發(fā)射極間的穩(wěn)態(tài)最大電壓為：
比一=√2矗(1+o)U。(6)
式中：口為電網(wǎng)波動(dòng)值，為10％；I|}為安全裕量，為1．1；
U。為峰值電壓‘6 o。
經(jīng)計(jì)算，當(dāng)U。取最大值250 V時(shí)，U。一=430 V。
在實(shí)際的工作電路中，需要考慮到電網(wǎng)波動(dòng)、過(guò)
載、開(kāi)關(guān)過(guò)程引起的電壓尖峰等因素，因此通常電力電
子設(shè)備選擇IGBT器件耐壓都是直流母線電壓的1．5
倍至2倍。
②IGBT模塊通態(tài)電流。。警(7)
“"DU?
?7
11
萬(wàn)方數(shù)據(jù)
齊納安全柵瞬態(tài)效應(yīng)的測(cè)試系統(tǒng)高杰敏。等
式中：叼為電流的效率，為O．9；D為占空比，取最大值
0．9；％。為整流輸出最小電壓；P0為輸出功率。
經(jīng)計(jì)算，當(dāng)U幽為225 V時(shí)，，c。=160 A。
考慮到1．5倍以上的安全裕量，可以選擇300 A
的IGBT模塊。
4．1．4脈沖電流的幅值與脈寬
根據(jù)力特血ial Lead&amp;amp;canridge Fuses的219系
列，選擇額定電流，n為0．1 A的熔斷器進(jìn)行脈沖寬度
的計(jì)算。
①脈沖電流峰值：
‘，=警=篇矗劃彤2 A (8)
尺6．018 Q??一?7
②熔化熱能值：
，z=41．542×41．542×f=0．079 A2s (9)
③預(yù)飛弧時(shí)間： ￡=石丁j}淼=45．78¨s (10) 。41．542×41．542 ?～P。”?
由試驗(yàn)要求可知，已知熔斷器的預(yù)飛弧時(shí)間，便可
得脈沖電流的寬度。經(jīng)計(jì)算，f<50斗s，所以脈動(dòng)電流
源產(chǎn)生的脈沖電流的寬度為50¨s。若計(jì)算后，￡>
50¨s，則應(yīng)調(diào)整脈沖電流的寬度"J。
4．2仿真結(jié)果
圖5為脈寬成型后的脈沖波形。
圖5脈沖發(fā)生信號(hào)波形
Fig．5 WavefoⅡn of tlle pulse sigIlal genemted
由圖5可見(jiàn)，此時(shí)的脈沖信號(hào)幅值為12 V，振蕩周
期為20 llls，脈沖寬度為50¨s。
首先，在multisim中繪制測(cè)試系統(tǒng)電路圖，各元器
件的參數(shù)值依據(jù)4．1節(jié)進(jìn)行設(shè)置。最后將各元器件連
人Tektronix Oscillosc叩e進(jìn)行仿真觀察。
由于Tektromx Oscillosc叩e只能顯示電壓波形，所
以需要在高速開(kāi)關(guān)電路中串聯(lián)一個(gè)電流表，顯示脈沖電
流峰值。高速開(kāi)關(guān)電路中輸出的脈沖波形如圖6所示。
78
圖6脈沖輸出波形
Fig．6 Pulse output wavef0珊
由圖6可見(jiàn)，測(cè)試系統(tǒng)最終輸出的脈沖波形光
滑、無(wú)振蕩，振蕩周期為20 ms，脈寬接近為50“s。
而且此時(shí)電流表顯示的脈沖電流幅值為40．789 A，
仿真結(jié)果基本符合公式理論的計(jì)算結(jié)果，可滿足型
式試驗(yàn)的要求。
5結(jié)束語(yǔ)
針對(duì)我國(guó)安全柵種類(lèi)繁多而測(cè)試評(píng)估手段不完善
的局面，本文設(shè)計(jì)了一種滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)二極管安全柵
型式試驗(yàn)的測(cè)試系統(tǒng)。該測(cè)試系統(tǒng)有效地驗(yàn)證了二極
管安全柵的安全性能指標(biāo)，同時(shí)它具有保護(hù)電路和報(bào)
警電路等完善的保護(hù)措施，確保了設(shè)備以及人身安全。
本文通過(guò)分析二極管安全柵的脈沖試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了相應(yīng)
的測(cè)試系統(tǒng)。該系統(tǒng)為安全柵檢驗(yàn)提供了一種有效的
方法，為確保防爆安全提供了有利的依據(jù)。
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