一種本安型準(zhǔn)諧振反激變換器設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種本安型準(zhǔn)諧振反激變換器設(shè)計(jì)方法，該方法首先根據(jù)設(shè)計(jì)要求對(duì)其參數(shù)和性能指標(biāo)進(jìn)行了設(shè)置，然后計(jì)算所述反激變換器的最大電流ILSP,max以及輸出電容最小值Cmin并計(jì)算Q關(guān)斷時(shí)火花放電最大釋放能量W1max，Q導(dǎo)通時(shí)短路火花放電最大釋放能量能量W2max，最后對(duì)對(duì)所設(shè)計(jì)的準(zhǔn)諧振變換器的輸出本質(zhì)安全性能進(jìn)行評(píng)判判斷，若所述準(zhǔn)諧振變換器的輸出是滿足本質(zhì)安全的，則設(shè)計(jì)結(jié)束，否則重新設(shè)計(jì)。本發(fā)明提供的本安型準(zhǔn)諧振反激變換器設(shè)計(jì)方法可適用于隔離型本安電源內(nèi)部DC-DC變換部分的要求，在實(shí)現(xiàn)變換器具有很好的動(dòng)態(tài)特性和快速響應(yīng)負(fù)載波動(dòng)等電氣性能的同時(shí)，保證變換器的本質(zhì)安全性能。
【專利說明】一種本安型準(zhǔn)諧振反激變換器設(shè)計(jì)方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種防爆場(chǎng)合用DC-DC變換器，尤其涉及一種輸出本安型準(zhǔn)諧振反激DC-DC變換器設(shè)計(jì)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]本質(zhì)安全電源作為通訊、監(jiān)控、檢測(cè)、報(bào)警以及控制系統(tǒng)的供電設(shè)備，在石油、化工、紡織和煤礦等含有爆炸性混合物的工作環(huán)境中得到了廣泛地應(yīng)用。其基本原理為:通過限制電源電路的各種參數(shù)或采取保護(hù)措施來限制電路的火花放電能量和熱能，使其在正常工作和規(guī)定的故障狀態(tài)下產(chǎn)生的電火花和熱效應(yīng)均不能點(diǎn)燃周圍環(huán)境的爆炸性混合物，從而實(shí)現(xiàn)電氣防爆。
[0003]伴隨著開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展，本安電源發(fā)展經(jīng)歷了自激振蕩的晶體管直流變換器、串聯(lián)開關(guān)穩(wěn)壓電源、開關(guān)穩(wěn)壓電源等幾個(gè)階段。而在進(jìn)行本安電源的設(shè)計(jì)時(shí)，通常需要遵循本安電路設(shè)計(jì)的三條基本原則:第一，本安電路與其他電路必須適當(dāng)隔離；第二，本安電路在規(guī)定的條件下，任何元件的熱效應(yīng)均不能點(diǎn)燃規(guī)定的爆炸性氣體混合物；第三，對(duì)于本安電路，應(yīng)根據(jù)其電氣設(shè)備規(guī)定等級(jí)進(jìn)行試驗(yàn)或評(píng)定，其任何電火花不得引燃規(guī)定的爆炸性氣體混合物[1]。
[0004]現(xiàn)有的本安型DC-DC變換器多是采用線性電源實(shí)現(xiàn)。線性電源一般是將輸出電壓取樣然后與參考電壓送入比較電壓放大器，此電壓放大器的輸出作為電壓調(diào)整管的輸入，用以控制調(diào)整管使其結(jié)電壓隨輸入的變化而變化，從而調(diào)整其輸出電壓。由于調(diào)制管串聯(lián)于回路當(dāng)中，因此流過與負(fù)載端相等的電流，此時(shí)調(diào)整管上的功率損耗即為Pd= (Vin-V0)
I。，以輸入電壓Vin = 12V輸出電壓V。為5V輸出電流10為2A為例，調(diào)整管上的損耗Pd為14W，這時(shí)的輸出功率P。僅為10W，可以看到大部分的功率損耗在開關(guān)管上。當(dāng)輸入、輸出電壓差越大時(shí)，線性電源的效率就越低。調(diào)整管消耗的能量基本都轉(zhuǎn)換為熱量，一方面要為調(diào)整管裝設(shè)大的散熱器，另一方面，溫度的升高對(duì)于電源可靠性有很多不良影響。另外大容量的本安電源需要輸出很小的電容，而米用開關(guān)方式后為穩(wěn)定輸出電壓需要較大的濾波電容，在設(shè)計(jì)上二者存在矛盾。另外，目前在本安開關(guān)變換器方面的研究與應(yīng)用主要集中在BUCK等非隔離變換器，不能很好的適應(yīng)于具有隔離要求的本安應(yīng)用場(chǎng)合。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]有鑒于現(xiàn)有技術(shù)的上述缺陷，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種本安型準(zhǔn)諧振反激DC-DC變換器設(shè)計(jì)方法，用于隔離型本安電源內(nèi)部DC-DC變換部分的要求，在實(shí)現(xiàn)變換器具有很好的動(dòng)態(tài)特性和快速響應(yīng)負(fù)載波動(dòng)等電氣性能的同時(shí)，保證變換器的本質(zhì)安全性能。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種本安型準(zhǔn)諧振反激變換器設(shè)計(jì)方法，步驟如下:
[0007]步驟1:根據(jù)設(shè)計(jì)要求，設(shè)定如下參數(shù)和性能指標(biāo)；[0008]輸入電壓Vin，輸出電壓V。，紋波電壓Vpp，輸出電流I。，輸出功率P。，輸出最小電阻Runiin，輸出最大電阻Rumax，效率η ；
[0009]步驟2:設(shè)置開關(guān)頻率:最低開關(guān)頻率fmir^P最聞開關(guān)頻率fmax ；
[0010]步驟3:計(jì)算所述反激變換器的最大電流I@max以及輸出電容最小值Cmin ；
[0011]步驟4:計(jì)算Q導(dǎo)關(guān)斷時(shí)火花放電最大釋放能量Wlmax，Q導(dǎo)通時(shí)短路火花放電最大釋放能量能量W2max ；
[0012]步驟5:對(duì)所設(shè)計(jì)的準(zhǔn)諧振變換器的輸出本質(zhì)安全性能進(jìn)行評(píng)判判斷，若所述準(zhǔn)諧振變換器的輸出是滿足本質(zhì)安全的，則設(shè)計(jì)結(jié)束，否則返回到步驟2重新執(zhí)行。
[0013]在本發(fā)明的較佳實(shí)施方式中，所述步驟I中設(shè)計(jì)要求為:Vin = 24V±5%，輸出電壓:V。= 12V，紋波電壓:Vpp = 25mV，輸出電流:1Q = 2A，輸出功率:P。= 24W，輸出最小電阻:Rumin = 6 Ω，輸出最大電阻:RL，max = 60 Ω，效率:η = 0.8。
[0014]在本發(fā)明的另一較佳實(shí)施方式中，所述步驟2中所述預(yù)期的最低開關(guān)頻率:fmin =45kHz,最高開關(guān)頻率:fmax = 150kHzο
[0015]在本發(fā)明的較佳實(shí)施方式中，所述步驟3中最大電流計(jì)算公式如下:
【權(quán)利要求】
1.一種本安型準(zhǔn)諧振反激變換器設(shè)計(jì)方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟1:根據(jù)設(shè)計(jì)要求，設(shè)定如下參數(shù)和性能指標(biāo)； 輸入電壓vin，輸出電壓V。，紋波電壓Vpp，輸出電流I。，輸出功率P。，輸出最小電阻RUmin，輸出最大電阻Rumax，效率1I ; 步驟2:設(shè)置開關(guān)頻率:最低開關(guān)頻率fmir^P最聞開關(guān)頻率fmax ； 步驟3:計(jì)算所述反激變換器的最大電流Lsp，mx以及輸出電容最小值Cniin ； 步驟4:計(jì)算Q關(guān)斷時(shí)火花放電最大釋放能量Wlmax，Q導(dǎo)通時(shí)短路火花放電最大釋放能量 W2-； 步驟5:對(duì)所設(shè)計(jì)的準(zhǔn)諧振變換器的輸出本質(zhì)安全性能進(jìn)行評(píng)判判斷，若所述準(zhǔn)諧振變換器的輸出是滿足本質(zhì)安全的，則設(shè)計(jì)結(jié)束，否則返回到步驟2重新執(zhí)行。
2.如權(quán)利要求1所述的本安型準(zhǔn)諧振反激變換器設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟I中設(shè)計(jì)要求為=Vin= 24V±5%，輸出電壓:V。= 12V，紋波電壓:VPP = 25mV，輸出電流:1。=2A，輸出功率:P。= 24W，輸出最小電阻=Rumin = 6Ω，輸出最大電阻:&_ = 60 Ω，效率:η=0.8ο
3.如權(quán)利要求2所述的本安型準(zhǔn)諧振反激變換器設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟2中所述預(yù)期的最低開關(guān)頻率:fmin = 45kHz,最高開關(guān)頻率:fmax = 150kHzο
4.如權(quán)利要求1所述的本安型準(zhǔn)諧振反激變換器設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟3中最大電流計(jì)算公式如下:

/ Lmin in’min 所述步驟3中最小電容計(jì)算公式如下: c _+2K)2
4/mnFPP,max/?Lmi 風(fēng).+F。)2 上述兩式中，V。為輸出電壓，Vin，min為最低輸入電壓，Y為變壓器變比，Rumin為最小負(fù)載電阻值，fmin為最低開關(guān)頻率。
5.如權(quán)利要求1所述的本安型準(zhǔn)諧振反激變換器設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟4中所述Q關(guān)斷時(shí)火花放電最大釋放能量Wlmax計(jì)算公式如下: Whmx =Ucii2+LsIlJ)-^- 所述Q導(dǎo)通時(shí)短路火花放電最大釋放能量能量W2max計(jì)算公式如下:
I , V 2T
ax 2 0 Rl 上述兩式中，V。為輸出電壓，Tc是火花放電維持時(shí)間，&為負(fù)載電阻，Vh為電弧電壓，Ls為次級(jí)電感，Ilsp為次級(jí)電感Ls的峰值電流值。
6.如權(quán)利要求1所述的本安型準(zhǔn)諧振反激變換器設(shè)計(jì)方法，其特征在于，所述步驟5中所述本質(zhì)安全性評(píng)判步驟如下:
步驟 5-1:若 fflfflax>ff2fflax,則 Wmax = Wlfflax,否則 Wmax = W2fflax ；步驟5-2:根據(jù)下式得到準(zhǔn)諧振變換器的等效電容(；:
【文檔編號(hào)】H02M3/335GK103973124SQ201410206236
【公開日】2014年8月6日 申請(qǐng)日期:2014年5月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月15日
【發(fā)明者】于月森, 李世光, 呂威, 張迎新, 伍小杰, 呂鳳新, 曾羿博 申請(qǐng)人:廣州市特種機(jī)電設(shè)備檢測(cè)研究院, 中國礦業(yè)大學(xué)