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1、1.1 关于本安电源本安电源即本质安全电源，属于爆炸性气体环境用防爆电气设备，在强制性国家标 准 GB3836 中有明确要求。可以是直流，也可以是交流，它在极端情况下的放电能量不 会点燃爆炸性气体。而普通开关电源是电源的工作方式是开关方式。相比于普通电源， 本安电源对安全性的要求更为严格。本安型开关电源突出优点是转换效率高、体积小、重量轻、输入电压范围宽、电网 适应能力很强等优点。在本安电源电路中，开关本安电源作为一种新的应用技术，具有 独特的优点和良好的性能，尤其是具有较宽的电网适应性，在煤矿及其他含有爆炸性混 合物的环境中，具有良好的应用前景，因此本安电源的设计具有十分重要的作用。1.2
2、开关电源的种类及组成开关电源有两种:一种是直流开关电源;另一种是交流开关电源。 开关电源由主电路、控制电路、检测电路和辅助电源组成。1、主电路冲击电流限制：上电时限制输入侧的冲击电流。输入滤波器：其功能是过滤电网中存在 的杂波，防止机器产生的杂波反馈回电网。整流与滤波：电网的交流电源直接整流为更 平滑的直流电。逆变：将整流后的直流电转换为高频交流电，它是高频开关电源的核心 部分。输出整流与滤波：根据负载需要提供稳定可靠的直流电源。2、控制电路一方面，从输出端采集样本并与设定值进行比较，然后控制逆变器，改变其脉宽或脉冲 频率以稳定输出。另一方面，根据测试电路提供并经保护电路识别的数据，提供控制电
3、 路来保护电源采取各自措施。3、检测电路 在保护电路中提供运行中的各种参数和仪表数据。1.3 本质安全开关电源与线性本安电源的区别线性本安电源具有线路简单、动态响应快、输出纹波小、干扰小、稳压性能好等优 点，线性本安电源功率受限，但主要缺点是电源转换效率低、整体体积大、输入电压范 围窄和对电网适应能力差。本安型开关电源突出优点是转换效率高、体积小、重量轻、 输入电压范围宽、电网适应能力很强等优点，通过提高开关频率可以增加本安电源输出 功率，更重要的是高频开关电源通过提高电路的开关频率，使得电路当中使用的储能电 感和储能电容值大大降低。当开关电源工作频率达到或超过 2MHz 时，如果电路内部出
4、现故障，由于频率的关系，电感器件断路时的放电时间被限定在 0.5us 以内，这时电感 电路不能为断点处提供足够的能量而使放电火花熄灭或出现断续状态。由于线性电源晶 体管工作在线性放大区域，因此线性电源不具备这一特点。开关电源的缺点是：产生电 磁干扰较大、输出纹波比线性电源大、设计周期较长。1.4 本安电源的特殊性本安电源与非本安电源相比，具有许多特殊性，使得更便于用于煤矿生产中。(1)输入和输出端电气隔离由于本安电源的输人端为非本安输出，输出端为本安型输出，电路内部是由非 本安向本安转换的过程。为防止非本安的输入端传递到本安的输出端，影响本安电源性 能，要求输入、输出端必须采取电气隔离，并且达
5、到规定的耐压等级。(2)不间断供电煤矿井下交流电因多种原因造成供电中断。根据煤矿相关的规定，许多传感器 在电网停后必须继续工作。因此，本安电源必须具有备用电池，以便在电网停电时由备 用电池继续向负载供电4。(3)保护电路多重化。本安型电气设备根据安全程度的不同分为IA和IB等级。按GB3836 2010爆炸 性气体环境用电气设备标准的规定，本安电源采用IB等级，保护元件或组件需要双 重化。(4)输出功率受限制。本安电源必须限制电路火花的放电能量，即限制电源的输出电压、放电电流和 放电时间。在电路实现上，就是要有过流或短路、过压、快速切断功能。除了这些特性 外，本质安全型电路及设备在使用过程中，
6、具有安全程度高、体积小、重量轻、安装简 单、维护方便、制造成本低等优点，更重要的是可以应用在易燃、易爆等危险工作环境 中2。第2章整体方案设计2.1设计任务输入电压：127V土20%输出电压：24V 纹波电压：VppW200mV输出最大电流：1A过流保护值：1.2A过压保护值：28V设计所选电容，电感符合最小点燃曲线要求。开关频率选择为134KHZ。2.2本质安全型电源分析本质安全型电源是建立在本安电路的概念上，只有保证了电路的本质安全，电源设 备才能达到本质安全。本安电路是指在规定的条件下，包括正常工作和矿用本安型电源 分析规定的故障条件下产生的任何电火花和热效应均不能点燃爆炸性气体环境中的
7、电 路。一般来说，热效应所引起的爆炸现象很少，本安电路的核心是限制电火花能量。本 安电路的主要放电主要分火花放电和电弧放电两种形式。其中火花放电主要是针对电容 性电路，当带有电容的本安电路在开关关断时，电极间隙被瞬间击穿，就会产生火花； 弧光放电一般针对电感性电路，当电感性电路瞬间切换，电极间隙被高压击穿时会产生 放电，它可以产生持续电弧，能量集中，电流密度大，点燃周围环境中爆炸性混合物的 能力强。可见电路的电火花放电形式与电路呈容性、感性有关系，即与电路中的电容、 电感有关系。2.3矿用本安型电源设计的基本要求（1）电气隔离通常矿用本安电源的输入是非本质安全127V交流电压，输出为本质安全的
8、电压， 如输入电压直接加到输出端，会影响输出端的本质安全，在输入端和输出端之间必须采 用电气隔离。因此在本安电源的设计中不能只采用Boost、Buck、BuckBoost等非隔离 开关变换器，必须配合电气隔离部件使用。常见的电气隔离方式有光电耦合隔离、变压 器隔离、电源模块隔离等。其中，当采用电源模块作为隔离部件时，其耐压值不低于 2500V。当矿用本质安全电源多路输出时相互之间也要采取隔离措施，确保其本质安全 输出。(2)需要多重化输出限能保护电路为了确保本安型电源在发生故障时仍能本质安全输出，需要多重化冗余方式的保护电 路。保护电路设计成几重化，主要是根据本安电源的保护等级确定的。GB3846.4-2010
