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齐纳安全栅瞬态效应的测试系统

文档作者：高在敌1 徐建平2 文档来源：上海理工大学光电信息与计算机工程学院1 上海工业自动化仪表研究院2		点击数：	更新时间： 2021年07月12日
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齐纳安全栅瞬态效应的测试系统高杰敏，等
齐纳安全栅瞬态效应的测试系统
Test System fOr Transient Effects of Zener Safety Barrier
高在敌1 徐建平2
(上海理工大学光电信息与计算机工程学院1，上海200093；上海工业自动化仪表研究院2，上海200233)
摘要：针对传统安全栅测试评估手段的不完善，为满足国家标准中二极管安全栅的型式试验，设计了一种齐纳安全栅瞬态效应的
测试系统。该系统以齐纳二极管为研究对象，从本质安全的角度，分析了运行在最不利条件下的齐纳二极管预先击穿时间。通过试
验确定脉冲电流的宽度与幅值；以绝缘栅双极型晶体管(IGBT)为核心元件，并采用大电容储能网络，设计了脉动电流源。实践表明，
该测试技术有效地验证了安全栅承受瞬态效应，为确保防爆安全提供依据。
关键词：安全栅齐纳二极管瞬态效应本质安全防爆安全预先击穿时间脉冲电流脉宽IcBT
中图分类号：Ⅱr7；7IP27 文献标志码：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删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姗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习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丽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
近年来，随着大型现代化钢铁、煤炭、石油化工企
业的高速发展，以及自动化程度的不断提高，在涉及爆
炸性物质的生产、运输、加工处理以及储存等过程中，
都存在爆炸危险性。在本安防爆技术中，安全栅作为
一种典型、常见的关联设备，能够隔离危险区域与安全
区域，有效地保护现场设备及人员的安全。目前，国内
的安全栅发展速度较快，模拟信号用安全栅、开关／数
字信号用安全栅、带通信功能(HART)的安全栅、适合
现场总线的安全栅都有长足的发展。若考虑结构形
式，安全栅可以广义地分为齐纳安全栅和隔离安全
栅。齐纳安全栅又称二极管安全栅，它的原理简单、
价格低廉，但是它对电源影响较大，同时也容易因电
源的波动而造成自身的损坏。因此，二极管安全栅的
安全性能有待提高。本文针对二极管安全栅的型式试
验，即齐纳安全栅的瞬态效应，进行测试系统的设计与
分析。
修改稿收到日期：2016一02—28。
第一作者高杰教(1992一)，男，现为上海理工大学控制工程专业在
读硕士研究生；主要从事本安元器件测量技术的研究。
《自动化仪表》第37卷第9期2016年9月
1二极管安全栅
1．1二极管安全栅结构
二极管安全栅的典型电路如图1所示。它由快速
熔断器(Fu)、限压二极管(齐纳二极管VD。、VD：)和
限流元件(R。、R：)构成。
图1二极管安全栅典型电路
F唔．1 Typical circujt of diode safety b舭Tier
安全栅本安端子与非本安端子问的距离应不小于
50 mm。二极管安全栅应设有两个接地端子，其截面
积不小于4 mm2。非接地的安全栅端子应有防护罩。
二极管安全栅电路元器件应依次排列，并用环氧树脂
浇封在外壳中¨3。
二极管安全栅的安全保护作用，实际上是运用齐
75
万方数据
齐纳安全栅瞬态效应的测试系统高杰敏，等
纳二极管的分流作用以及电阻的限流作用，对输入的
能量进行限制，以确保本安回路的安全性。
1．2二极管安全栅型式试验内容
GB 3836．4—2010中的10．8对型式试验有相应规定。
制造商数据表明，当该电流下预先击穿时间大于
50¨s时，该电流脉冲宽度将变成实际预先击穿时间。
当实际预先击穿时间不可能从制造商获得现成数据
时，10只熔断器应承受上述预期电流，并测定预先击
穿时间。该值应大于50¨s口1。
2测试系统设计方案
本文设计的测试系统如图2所示。
●一●●●●●●●●⋯⋯⋯-⋯●-●●●●●●⋯⋯⋯●●●●●●●●●●⋯⋯-●●●●●●●●●●●●●●-．．’‘
脉动电流源
’
●-●●●●●●●●●●●●‘●●-●●’，
／ 控制部分＼
图2 系统示意图
Fig．2 Schematic diagram of the system
市电输入经过隔离变压和整流滤波后，得到平滑
的直流高电压，然后给储能电路充电。与此同时，脉冲
发生电路产生满足试验要求的脉冲信号，经过脉冲驱
动电路放大后使其能够驱动高速开关电路。储能电路
在达到临界电压后，便可在高速开关电路开通的瞬间
产生脉冲电流，对负载进行试验。
3工作原理
3．1 充电电路
在防爆认证体系中，二极管安全栅设计的输入通
常为24 V，但是在电路考核时是按输入电压的最不利
条件考虑的。在型式试验要求中，输入电压应为峰值
电压u。。GB 3836．1—2010的中3．15．1l规定，最高
电压(交流有效值或直流值)玑是可施加到关联设备
的非限能连接装置上，且不会使防爆型式失效的最高
电压∞1。不同的连接装置，其u。也不相同。所以，当
输入市电220 V电压后，经过变压器产生多个工作电
压，如110 V、180 V、250 V等。通过旋转开关调节选
择相应的电压档；之后加到全桥整流电路上输出直流
电压，通过充电电阻给储能电路充电。充电电路还包
括检测电路和保护电路。检测电路如图3所示。
图3检测电路
Fig．3 Detection circuit
检测电路主要由开关S。、光耦O，、三极管Q。、继
电器G以及稳压管支路等组成。根据充电电路中不
同的工作电压，同步选择不同的稳压管支路导通，确
保实现负载所需的电压档。当储能电路上的电压达
到临界电压后，检测电路中的稳压管导通，通过光耦
O。控制三极管Q．导通，使得继电器G工作切断充电
电路，充电过程结束。当储能电路充电后长时间不
用时，可通过保护电路手动将储能电路上的能量释
放，避免储能电路因长时间处于高压状态而导致元
器件损坏。
3．2储能电路
为了在一定电压下获得尽可能大的电流，本设计
通过若干电容器并联放电。储能电路就是RC充放电
电路，由充电限流电阻、放电限流电阻和储能电容
组成。
对于任意时刻￡，电容电压u。为：
U。=U。(1一e1“。) (1)
由式(1)可得，当￡=3R。c，时，U近似为u。。相
似地，放电时间t=3Rc，。值得注意的是，储能电路
的放电时间应大于试验需要的脉冲电流持续时间，这
样才能实现5次连续脉冲的输出。
76 PRoCESS AUToMAJI．ION矾STmJMENTAlloN VoL 37 No．9 september 2016
万方数据
齐纳安全栅瞬态效应的测试系统高杰敏，等
3．3高速开关电路
本设计中，高速开关电路开通时问决定了所产生
的脉冲电流脉宽。而高速开关电路选择绝缘栅双极型
晶体管(insulated—gate bipolar tL蚰sistor，IGBT)作为核
心元件。IGBT综合了双极型三极管B¨和绝缘栅型
场效应管MOS两种器件的优点，驱动功率小而饱和压
降低，且开关速度高、开关损耗小，能够满足高速、大功
率的输出要求。整个系统的输出电路如图4所示。
图4中，齐纳二极管即为测试的负载。
图4输出电路
Fig．4 Output circllit
3．4脉冲发生电路
脉冲发生电路采用555电路构建的多谐振荡器来
产生矩形脉冲方波。由R。、R：、R，构成外围电路，通
过调节电阻R。、R：和电容c。的大小，可以调节产生矩
形脉冲的宽度和频率。
通过试验可知，由555电路产生的脉冲方波并不
能满足试验的要求。因此，在脉冲产生电路后需要进
行脉冲整形。脉冲整形利用74LSl23电路组成的单稳
态电路，对矩形脉冲方波进行脉宽成型。通过定时电
阻R。和外接电容C。来控制脉冲的宽度[4j。
3．5报警电路
整个系统还包含了报警电路(如图4中的蜂鸣
器)。当输出端接线柱接人负载时，若二极管D。承受
住脉冲试验而没有损坏，蜂鸣器不工作、不报警。此
时，当IGBT导通时，三极管Q。导通，使得三极管Q，基
极与发射极间电压为0，Q，处于截止区，蜂鸣器不工
作。若二极管D。因承受不住脉冲试验而损坏，蜂鸣
器则会高频报警。因为一般情况下，二极管D。在过
《自动化仪表》第37卷第9期2016年9月
流时会烧坏PN结形成开路，在过压时击穿PN结形成
短路。而在过压击穿形成短路后，二极管D。上的电
流大于极限值，会烧坏PN结形成开路。所以此时三
极管Q，导通，蜂鸣器高频报警以提示输出端接线柱带
高压电，必须等输出开关切断，无报警信号方可对输出
端进行操作。
此外，当输出端接线柱未接入负载时，若由于误操
作，闭合了输出开关S，，则此时和二极管D。损坏时的
情况相同，输出端接线柱带高压电，蜂鸣器高频报警。
此时不可接入负载，以确保人身及设备安全。
4算例分析
4．1参数设计
4．1．1脉冲发生器
型式试验要求的振荡周期为20瞄、充电时间为
15 ms、放电时间为5姗，则振荡周期r、电容充电时间
L、电容放电时间疋分别为：
r=0．69(Rl+2R2)Cl=20 ms (2)
■=0．69(尺。+R：)C。(3)
咒=0．69R2C。(4)
取C。为4．7一，则R：为1．5 kQ、R。为3 kQ。
4．1．2脉宽成型
型式试验要求的最小电流脉宽为50斗s。而脉宽
t。由电阻R。和电容C。来控制、5。。根据型式试验要
求，当C。>1 000 pf时，脉宽为：
￡。=4．5R。C。(5)
取C。为10心，则R。约为10 kQ。调节电阻R。，
可调节脉宽大小。
4．1．3 IGBT模块选型
根据承受电压和通态电流这两个参数，来选择
IGBT模块。
①IGBT模块额定电压。
IGBT集电极与发射极间的稳态最大电压为：
比一=√2矗(1+o)U。(6)
式中：口为电网波动值，为10％；I|}为安全裕量，为1．1；
U。为峰值电压‘6 o。
经计算，当U。取最大值250 V时，U。一=430 V。
在实际的工作电路中，需要考虑到电网波动、过
载、开关过程引起的电压尖峰等因素，因此通常电力电
子设备选择IGBT器件耐压都是直流母线电压的1．5
倍至2倍。
②IGBT模块通态电流。。警(7)
“"DU⋯
⋯7
11
万方数据
齐纳安全栅瞬态效应的测试系统高杰敏。等
式中：叼为电流的效率，为O．9；D为占空比，取最大值
0．9；％。为整流输出最小电压；P0为输出功率。
经计算，当U幽为225 V时，，c。=160 A。
考虑到1．5倍以上的安全裕量，可以选择300 A
的IGBT模块。
4．1．4脉冲电流的幅值与脉宽
根据力特血ial Lead&amp;amp;canridge Fuses的219系
列，选择额定电流，n为0．1 A的熔断器进行脉冲宽度
的计算。
①脉冲电流峰值：
‘，=警=篇矗划彤2 A (8)
尺6．018 Q⋯⋯一⋯7
②熔化热能值：
，z=41．542×41．542×f=0．079 A2s (9)
③预飞弧时间： ￡=石丁j}淼=45．78¨s (10) 。41．542×41．542 ⋯～P。”⋯
由试验要求可知，已知熔断器的预飞弧时间，便可
得脉冲电流的宽度。经计算，f<50斗s，所以脉动电流
源产生的脉冲电流的宽度为50¨s。若计算后，￡>
50¨s，则应调整脉冲电流的宽度"J。
4．2仿真结果
图5为脉宽成型后的脉冲波形。
图5脉冲发生信号波形
Fig．5 WavefoⅡn of tlle pulse sigIlal genemted
由图5可见，此时的脉冲信号幅值为12 V，振荡周
期为20 llls，脉冲宽度为50¨s。
首先，在multisim中绘制测试系统电路图，各元器
件的参数值依据4．1节进行设置。最后将各元器件连
人Tektronix Oscillosc叩e进行仿真观察。
由于Tektromx Oscillosc叩e只能显示电压波形，所
以需要在高速开关电路中串联一个电流表，显示脉冲电
流峰值。高速开关电路中输出的脉冲波形如图6所示。
78
图6脉冲输出波形
Fig．6 Pulse output wavef0珊
由图6可见，测试系统最终输出的脉冲波形光
滑、无振荡，振荡周期为20 ms，脉宽接近为50“s。
而且此时电流表显示的脉冲电流幅值为40．789 A，
仿真结果基本符合公式理论的计算结果，可满足型
式试验的要求。
5结束语
针对我国安全栅种类繁多而测试评估手段不完善
的局面，本文设计了一种满足国家标准二极管安全栅
型式试验的测试系统。该测试系统有效地验证了二极
管安全栅的安全性能指标，同时它具有保护电路和报
警电路等完善的保护措施，确保了设备以及人身安全。
本文通过分析二极管安全栅的脉冲试验，设计了相应
的测试系统。该系统为安全栅检验提供了一种有效的
方法，为确保防爆安全提供了有利的依据。
参考文献：
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