基于适用于LNG船舶的直流开关电源快速截流保护技术的分析
时间：2020-12-18 16:09:18 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
[摘 要]随着社会经济的发展，我国提出了节能环保政策，鼓励和提倡各行业的发展使用新型能源。LNG属于高效、清洁能源的一种，LNG船则是以LNG为燃料的動力船，能够应用到液化天然气的运输当中，拥有十分广阔的发展前景。而电源快速截流保护技术，具有十分广泛的用途，本文将研究其在LNG船中电气部分的应用，并对应用中的几个重点问题进行分析。
[关键词]LNG船舶；直流开关；电源截流保护技术
中图分类号：U665.1 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）45-0096-01
引言：电源快速截流保护技术，具有十分广泛的用途，在LNG船舶的电气部分也得到了充分的应用。随着新的电子器件不断产生，本质安全电源技术也需要进行更新换代，本文将基于MOSFET截流开关，从电路拓扑与器件选择两个方面，对高速截流开关展开研究。
1.直流电源截流保护技术在LNG船舶中的应用
1.1截流保护技术要求
截流开关的使用应充分满足以下几个要求，才能够充分发挥出保证系统安全的作用。
（1）在电源输出与负载端中间安装截流开关，使其在较短的时间境内对输出电流进行拦截。
（2）对于保护器件为主的截流开关来说，应保障在截断的时间内受保护的器件不受严重的损坏。对于防止电流短路为主的截流开关来说，应对短路能量进行限制，使其不产生小火花。
要想在电源短路的过程中，不将可燃物引爆，则需要具备十分快速的截流速度。假设电源的输出电压值是15V、电流值为1.5A，电流呈现线性规律逐渐降低，E代表能量，T代表截流时间，则可以得出以下公式：
由此可见，当E的数值小于0.26mJ，则截流时间为0.01ms，这将要求截流开关的速度十分迅速。由于爆炸是在瞬间完成的，忽略到散热情况，则需要从电路拓扑、控制元件、功率元件等方面进行考虑[1]。
1.2硬件电路设计
1.2.1MOSFET驱动电路
从理论上来说，在MOSFET基础上的驱动较为简单，在稳态导通的过程中无需考虑到驱动电流，电压也只是在几伏和十几伏之间，为电路设计与控制提供了较大的便利。在电路驱动的过程中，NPN管的集电极与电源正极相互连接，PNP管中的集电极与地面相连。驱动端与LM311端相连，由于其具备上拉电阻，因此在基极端无需设置电阻对电流进行限制。如若在LM311端颁布具备上拉电阻，则需要设置限流电阻，防止功率管受到损害。
在电路正常工作的过程中，需要将驱动信号传递到MOSFET中，NPN型功率管导通后对MOSFET进行驱动，使电路能够在正常状况下工作，同时也为MOSFET寄生电容充电。一旦负载出现异常现象，则需要将MOSFET关闭，基极端得到低电平，PNP型功率管导通，使MOSFET中的寄生电容得到释放，避免其与电路产生不利影响[2]。
1.2.2控制部件设计
在控制部件的设计中，采用电压比较器LM311，由于其为OC门，因此需要与上拉电阻相连接，比较器的正极为标定电压，数值为：
式中，R2代表的是滑动变阻器数值，可以对阻值大小进行调整，适应不同环境下的电压，使其不引起火花，负极为检测信号，信号来源为电阻检测电路当中。将R1与R2的上端相互连接，当电路当中的电流处于合理范围内时，MOSFET处于导通状态，两个MOSFET与电阻R3和R4相连短路，因此R2中的电压值较小，经过R1的电流值也较小，在R1附近产生的压降作用较小，使比较器负端与正端相比，电压较低。如若电路中的负载产生故障问题，电流数值增大，通过R1的电流提升，则在R1附近产生的压降增加，这时的比较器负端电压与正端相比较高，输出低电平，MOSFET断开，对电路实施过流保护。
2.直流电保护技术在LNG船舶中应用的重点问题
2.1双重化设计
根据国家在防爆方面的相关规定，在截流电路的控制电路与主电路中实施双重设计，主要是为了对所有器件设备进行保护，使其能够在发生异常情况的条件下仍然能够稳定的投入到工作当中。对此，电子开关应保障随时对电源输出电流进行截流，通过将两个相同的开关串联的方式，对电路中的负载电流进行检测，设置两个并联输出的电路，对电路进行有效的控制。
2.2低功耗设计问题
本文所研究的电路自身的消耗量较低，通常在供电过程中不会产生负面影响，但是在为便携式的仪表进行供电时，由于设备电源属于小容量的化学电池，因此在功耗要求上较为严格。
（1）应选择具有较低功耗的器件，可以采用MOSFET的方式，MOSFET属于场控型器件，能够在导通的状态下实现压降作用，使导通功耗有效的降低。
（2）在控制电路器件的选择上也尽量选择一些功耗较低的MOS结构型，使集成度极大的提升。由此可见，CMOS的器件功耗方面虽然较小，但是产品的动作速度较低，难以符合高速电路的要求[3]。
（3）在必要的时候要设置自动断电功能，在本文的研究中，与主电流回路电子开关相串联的开关较多，对其进行改进后便能够实现自动断电，能够在不同的场合采用不同的设计，以符合实际需求。例如，在对电力变化率进行检测的过程中，由于长期电流在变化过程中没有操作，可使其处于断电状态，也可以采用检验电流值的方式，当电流在一定时间内保持同一数值不变时进行断电。在实施的过程中，应充分了解到供电设备的工作规律以后，才能够进行决定。
结束语
综上所述，电源快速截流保护技术，具有十分广泛的用途，在LNG船舶的电气部分也得到了充分的应用。本文研究了直流电源截流保护技术在LNG船舶中的应用，并对截流保护技术要求与硬件电路设计进行分析，然后对应用中存在的双重化与低功耗设计加以阐述。本文研究改变了以往常规的电路级联思路，采用并联形式，以MOSFET为主开关，使开关时间被有效的缩短，具有十分重要的应用意义。
参考文献
[1]姬军鹏，陈文洁，马志鹏.36kV电子束轰击炉高压直流开关电源设计[J].西安交通大学学报，2017，51（08）：102-109.
[2]伦学敏，曾光，.低电压、大电流直流开关电源的研究与设计[D].西安科技大学，2015.
[3]李腾飞，杨旭.基于DSP的高压直流开关电源的研制[D].大连理工大学，2015.
