目 录
1 绪论 ...................................................................... 1 1.1研究的意义 ............................................................ 1 1.2本质安全理论产生的背景 ................................................ 1 1.3本质安全标准及相关理论发展简介 ........................................ 1 1.4本质安全开关电源发展与现状 ............................................ 2 1.5本质安全电路基本原理及电气放电形式 .................................... 3 1.5.1本质安全电路基本原理 .............................................. 3 1.5.2电气放电形式 ...................................................... 3 1.6本质安全防爆开关电源的特点 ............................................ 4 1.7本质安全开关变换器的组成及原理 ........................................ 5 2 降压型（BUCK）电路 ........................................................ 7 2.1 BUCK型开关电源原理 ................................................... 7 2.2降压式变换电路（Buck电路） ............................................ 7 2.2.1开关器件导通和关断时，电路的动态工作过程分析 ...................... 8 2.2.2电感电流连续模式下的工作过程分析 ................................. 10 2.2.3电感电流断续模式下的工作过程分析。 ............................... 12 2.2.4电感电流临界模式 ................................................. 13 3 电路设计 ................................................................. 15 3.1控制IC的选择 ........................................................ 15 3.1.1UC3573的性能及技术参数 ........................................... 15 3.1.2管脚引线功能介绍 ................................................. 17 3.2电路设计 ............................................................. 20 3.2.1UC3573控制的BUCK主电路图 ........................................ 20 3.2.2主要参数的计算 ................................................... 20 4 保护电路 ................................................................. 23 4.1本质安全BUCK变换器输出保护电路 ...................................... 23 4.2输入、输出过压保护电路 ............................................... 25 4.3输出过流、短路保护电路 ............................................... 25 4.4仿真结果 ............................................................. 26 5 结论 ..................................................................... 28 参考文献 ................................................................... 29 英汉翻译 ................................................................... 31 英文原文 ................................................................. 31 中文译文 ................................................................. 40 致 谢 ..................................................................... 51
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1 绪论
1.1研究的意义
作为通讯、监控、检测、报警以及控制系统的供电设备，本质安全电源主要应用在石油、化工、纺织和煤矿等含有爆炸性混合物环境中。随着电力电子技术的迅速的发展以及现代化水平的不断提高，自动控制设备和仪器在煤矿井下的使用越来越广泛，用电设备发生的漏电、短路、电火花等电气事故，成为这些危险性环境可燃气体或物质爆炸的隐患。所以要求应用于煤矿、石油等易燃、易爆危险性环境的电气设备必须满足防爆的要求。防爆电源作为危险环境下系统不可缺少的部分[1]。
危险环境的所以设备必须满足防爆要求，根据防爆措施，可把防爆电气设备分为本质安全型、隔爆型、增安型、正压型、油侵型等，其中应用较多的是隔爆型和本质安全型。本质安全型电气设备有很多优点：安全程度高、体积小、携带维护方便、价格低廉。因此本质安全电源将更为广泛的应用，所以对本质安全的研究会越来越重要。
当前半导体技术的发展，大功率高速器件的出现，PWM芯片的性能越来越强大，使本质安全电源具有更高的性能和优越性。开关电源对于实现本质安全输出最重要的优势是随着开关频率的提高，电源的输出电感、电容可以很小，其所具有释放的能量很小，更具有本质安全性能，更安全。
1.2本质安全理论产生的背景
1886年由普鲁士瓦斯委员会委托亚琛（Aachen）工业大学进行了瓦斯爆炸方面的基础性试验，并在1898年的后续试验过程中得出了“任何电火花都能够引起爆炸”重要结论。
1911和1913年英国威尔士（Welsh）和圣海德（Senghenydd）煤矿因电铃信号线路产生放电火花先后发生瓦斯爆炸，造成数百人死亡的严重后果。为此，当时任英国内政部技术官员R.V.Wheeler教授开始研究电铃信号电火花的引燃特性，并设计了火花试验装置。1915年W.M.Thoronton参与了该项研究工作，在1916年提出了本质安全电路设计方法和理论，这一理论的提出标志着本质安全理论正式创立[1]。
1.3本质安全标准及相关理论发展简介
随着电子器件的更新和科学技术的进步，本质安全电气设备的种类和形式发生了巨大的变化，英国国家标准机构于1945年再一次修订BS1259：1958。1967年在IEC31G委员会布拉格会议期间，经过对火花放电提交的不同试验结论比较，决定采用联邦德国西门子公司一组工作人员设计的火花试验装置所作的试验结果，并将该试验装置推选为国际标准火花试验装置。
1978年国际电工委员会（IEC）发布了一系列相关标准，其中包括“本质安全和附属设备的构造和试验”标准，标准代号：IEC刊物79-11。在此期间，欧洲标准化组织CENELEC也制定了一系列关于“可燃性环境中电气设备的构造与试验”欧洲标准，本质安全型标准代号为：EN50020。欧洲电工标准协调委员会于1981年制定有关本质安全系统结构与测试的欧洲标准，代号为：EN50039，与之相当的英国标准为：BS5501：1982年美国在本质安全电路设计方面，先后制定了本质安全国家电气规程（NEC504-2条），1995年保险商实验
中国矿业大学2011届本科生毕业设计 第2页 室（UL913）和美国仪表学会（ISA），出版了用于检验和安装本质安全设计的标准（ANSI/ISA-PR12.6-1995）。在本质安全电器产品检验方面，世界各国都有专门授权的防爆检验部门从事本质安全电路和电气设备及其关联设备的检验[1]。 目前，在全球范围内已广泛接受的电气设备防爆技术有：隔爆型 (Exd)、本质安全型 (Exi)、正压型 (Exp)、增安型 (Exe)、油浸型、充砂型、浇封型、n型、特殊型、粉尘防爆型等。以上每种方式都有其各自的优点，其中隔爆型、本质安全型和正压型应用较为广泛。比较三种主要防爆型式的优缺点可知，本质安全型电气设备从电路的电气参数上保证了防爆，省去了隔爆外壳，具有安全程度最高、体积最小、重量最轻、携带与维护最方便和造价最低廉的五大优点。因此，用于爆炸性危险场所的电气系统和电气设备，凡是可以或有希望设计成本质安全型的，总是尽量设计成本质安全型，而不设计成隔爆型或其它类型。直流电源是电子产品必不可少的重要组成部分，也是功率较大的电子设备，因此其面临的本质安全问题更为突出[2]。
我国开始从事本质安全电路理论研究，虽然我国起步比较晚，但是从目前国内的发展状况来看，无论在理论研究方面，还是本质安全产品设计方面发展的速度都很快。特别是最近几年国内在本质安全理论研究方面进步很快，已经接近国际水平。对电阻性电路的放电特性从理论上分析研究；在此基础上，通过大量的具体试验对电感电路先后进行了全面的研究和分析；此后，一些专家和学者又对电容性电路以及复杂电路的放电特性与引燃特性做了深入的研究和理论分析，并且分别建立了相应的数学模型[3]。
1.4本质安全开关电源发展与现状
自20世纪60年代得到发展和应用的DC/DC功率变换技术是一种硬开关技术。功率开关管的开通和关断是在电压和电流不为零的状态下进行的，开关损耗较大，频率不易太高。为提高电源效率和开关频率，减小开关损耗，在硬开关技术发展和应用的同时，国内外电力电子界和电源设计界不断研究开发高频软开关技术。它应用谐振原理，使开关器件中电流或电压按正弦或准正弦规律变化，当电流或电压自然过零时，使开关管关断或开通，降低功率开关器件的损耗，提高开关频率到MHz数量级。其损耗很小[4]。
我国从七十年代起开始研制本质安全型稳压电源，提出基于非隔离Buck变换器的开关型本质安全电源。它由变压器、整流滤波电路、稳压电路、保护电路组成，采用工频变压器与电网隔离，稳压电路应用了开关变换器，使电源效率得到提高。国外虽然在普通环境下直流开关稳压电源的研究上进展迅速，新技术不断出现，但在煤矿本安防爆直流开关稳压电源的研究上基本与我国处在同一水平，然而开关稳压电源与线性稳压电源相比，虽然存在控制电路较为复杂，瞬态响应差，射频、电磁干扰大，可靠性略差等缺点，但是它体积小，重量轻，输出电压稳定，效率高达85％以上，特别是随着VMOS管、肖特基势垒二极管等新一代高频大功率元件的出现及一些新颖的电路拓扑和控制技术的采用，使开关稳压电源的工作频率向高频化发展，电源的体积和重量越来越小，而电气性能指标却大幅度提高。所以开关稳压电源十分适合煤矿井下要求。可见，开关电源应用于煤矿井下、石化行业或一些危险的环境中有着广阔的前景，因此，对本质安全开关电源的研究具有重要意义[4]。
目前对本质安全型电源的研究主要局限于对非隔离的本安型开关电源的研究，而在实际中应用最多的还是隔离型开关电源。所以，目前的非隔离型本安型开关电源远不能满足
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实际的需要，这就要求我们必须对隔离型本质安全开关电源进行研究。而隔爆兼本安开关电源，主要用于给危险环境的电气设备提供合适的工作电压，其功率通常不是很大。 所以对本质安全型变换器的研究不仅具有重要的意义，更是进行本质安全开关电源研究的进一步拓展。此外，研究本课题有助于本质安全技术的推广应用；有助于开关电源的应用范围的扩大。在国内、外对本领域的研究人员较少，而它的市场潜力是很大的，因此具有相当的学术意义和经济效益。
1.5本质安全电路基本原理及电气放电形式
本质安全”就是通过限制电火花和热教应两个可能的点燃源的能量来实现的。试验表明， 对应于各种危险气体都有其最小点燃能量，当点燃能量小于这个能量时，将不能引起点燃而产生爆炸[5]。 1.5.1本质安全电路基本原理
本质安全电路是指在标准规定的条件（包括正常工作和标准规定的故障条件）下产生的任何电火花或任何热效应均不能点燃规定的爆炸性气体环境的电路。其特点是：电源电路内部和引出线不论是在正常工作还是在故障状态下都是安全的，所产生的电火花不会点燃周围环境中的爆炸性混合物。
本质安全电气设备防爆基本原理是：通过限制电气设备电路的各种参数或采取保护措施来限制电路的火花放电能量和热能，使其在正常工作和规定的故障状态下产生的电火花和热效应均不能点燃周围环境的爆炸性混合物，从而实现电气防爆。电火花和热效应是引起爆炸性危险气体爆炸的点燃源[6]。 1.5.2电气放电形式
本质安全电路理论及检测是与电气放电密切相关的。正是被认为可能发生短路、开路或接地等危险点在火花试验装置电极上开断、闭合时，放电产生的能量若超过气体引爆能量就会造成气体混合物的爆炸。所以应首先研究电气放电，分析放电形式及其规律。[6]
根据气体放电理论，电路在切换时的基本放电形式有三种：火花放电，电弧放电，辉光放电，以及由三种放电形式组成的混合放电[7]。
1．火花放电：火花放电是在接通和断开电容电路时，击穿放电间隙中的气体而产生的，其特点是低电压大电流放电。
火花放电的过程可分为三个主要阶段：第一阶段火花形成阶段，以施加外电压瞬间起至间隙被击穿止，此时火花带的电流小而加在放电间隙上的电压较稳定，持续时间短约为10-9秒，火花形成阶段的最后形成一个导通带，第二阶段开始，此时电容上的全部电荷将沿着所形成的火花带流通，并使之加热到10000-20000℃。间隙上的电压迅速降到一个极小的数值，而电流却可达到极大值102～104安。直到此阶段终了时，电容一直在放电，而放电间隙的电阻从最大初始值降到一个很小的终了值。第三阶段（衰减阶段）火花带被破坏，这是由于高温火花带的热辐射被周围气体层所吸收，使火花带展宽而造成的。这三个过程约在10-6～10-8秒的极短时间内完成。
火花放电所释放的能量主要由两部分组成，在放电电子束中散失的能量和电极表面传